Способ обработки поверхностей тел и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к пищевой промышленности и медицине и может быть использовано для обработки поверхности тел, в частности их дезинфекции и стерилизации. Сущность изобретения: способ обработки включает подачу термообразующих газов и разрядный промежуток. Обработку осуществляют плазменной средой при атмосферном давлении, принимающей форму обрабатываемой поверхности при прямом контакте с ней, за счет возбуждения электрического разряда, путем приложения напряжения, изменяющегося во времени. Для этого устройство содержит систему подачи плазмообразующих газов, источник питания, опору для обрабатываемого тела и генератор плазмы, выполненный как формирователь плазменной среды, состоящий по крайней мере из двух электродов, соединенных с источником питания, разрядный промежуток между которыми связан с системой подачи газов, а опора выполнена с возможностью размещения обрабатываемого тела в разрядном промежутке. 2 с. и 14 з.п.ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к пищевой промышленности и медицине, а именно, к способам и устройствам обработки поверхностей тел и материалов и может быть использовано в указанных и других областях для их дезинфекции и стерилизации.

Известен способ и устройство стерилизации и дезинфекции магнетронным разрядом, создаваемым в вакуумной камере (см.Европейская заявка N 90303410.7, номер публикации 00387 022).

Данный способ обеспечивает высокое качество дезинфекции и стерилизации за малые времена, однако требует дорогостоящего вакуумного оборудования. Кроме того, требуется регулярная очистка рабочей зоны и создание вакуума, что ведет к дополнительным временным и энергетическим затратам.

Известен способ стерилизации и дезинфекции медицинского оборудования, при котором на поверхность обрабатываемого материала воздействуют потоком азотной и/или аргоновой плазмы, создаваемым за счет подачи плазмообразующих газов в разрядный промежуток, образуемый по крайней мере двумя электродами, возбуждения в нем электрического разряда и совмещения поверхности обрабатываемого тела с зоной обработки [1] Известно также устройство для обработки твердых тел, включающее генератор плазмы атмосферного давления, систему подачи плазмообразующих газов, источник питания и опору для обрабатываемого тела [2] Реализация указанных способа и устройства связана со значительными энергозатратами, обусловленными способом подачи газов и воздействия на поверхность, поскольку газ подают таким образом, чтобы образовывался направленный поток плазмы. Необходимость поддерживать поток ведет к увеличению длины канала плазмы, а следовательно и мощности, необходимой для поддержания разряда до 5-10 кВт, и увеличению расхода плазмообразующего газа до 5 л/мин и более. Кроме того, известный способ имеет ограничения по использованию из-за высокой температуры для класса ряда материалов и тел, например полимерных, используемых, как в пищевой промышленности, так и в медицине.

Целью изобретения является уменьшение энергозатрат при проведении стерилизации поверхности материалов, а также снижение температуры поверхности материала в процессе воздействия при сохранении высокого качества обработки. Кроме того, предлагаемый способ также позволяет проводить обработку труднодоступных мест, таких как, например, внутренние поверхности контейнеров, емкостей, трубок, флаконов, катетеров и других объектов, имеющих внутренние полости.

Это достигается за счет того, что в известном способе, включающем подачу плазмообразующих газов при атмосферном давлении в разрядный промежуток, образованный по крайней мере двумя электродами, возбуждение в нем электрического разряда и совмещение обрабатываемого тела с зоной обработки, предложено воздействовать на поверхность обрабатываемого тела плазменной средой, принимающей форму поверхности указанного тела при прямом контакте с ней, а электрический разряд возбуждают путем приложения к электродам напряжения, изменяющегося во времени, достаточного для формирования плазменной среды. В качестве плазмообразующих газов можно использовать инертные газы, и/или азот, и/или кислород, и/или их смеси, а также их смеси с иными газами. Дополнительно предлагается формировать плазменную среду за счет изменения расхода плазмообразующих газов и/или мощности электрического разряда, а обработку поверхности осуществлять путем относительного перемещения плазменной среды и обрабатываемой поверхности. Обработке можно подвергать материалы, инструменты, контейнеры, емкости и иные тела, используемые в пищевой, медицинской, фармацевтической и иных отраслях.

Подавая плазмообразующий газ с помощью системы подачи газов в промежуток между электродами и прикладывая к ним напряжение, превышающее по амплитуде пробивное напряжение промежутка между электродами, заполненного подаваемым газом, формируют в промежутке между электродами плазменную среду. Непосредственная связь промежутка между электродами с системой подачи газов имеет большое значение, так как в отсутствие плазмообразующего газа в промежутке последний заполнен воздухом атмосферы. Для создания плазменного разряда в воздушном зазоре необходимо значительное по амплитуде напряжение и большие энергетические затраты для поддержания плазменного разряда. Таким образом, подача плазмообразующего газа в промежуток стимулирует процесс возникновения плазменной среды при заданных значениях электрической мощности, подводимой к электродам. Образование плазменной среды путем приложения напряжения, изменяющегося во времени возможно также при условии заполнения плазмообразующим газом части разрядного промежутка. Возникающей напряженности электрического поля оказывается достаточно для пробоя части промежутка, заполненной плазмообразующим газом. Остальные части промежутка с более высокой напряженностью пробоя выполняют роль диэлектрика конденсатора, одной из обкладок которого служит электрод, не находящийся в непосредственном контакте с плазмообразующим газом, а второй обкладкой служит ионизированный в результате электрического пробоя плазмообразующий газ.

Для реализации описанной выше модели возникновения плазменной среды в промежутке плазмообразующий газ должен подаваться одним из следующих способов: через трубку или сопло, соединенные с системой подачи газов и расположенные так, что выходной конец трубки или указанное сопло находятся непосредственно в промежутке между электродами; через трубку или несколько трубок, расположенных на некотором расстоянии от промежутка но так, что ось симметрии потока газа из каждой трубки или ось симметрии суммарного газового потока, получающегося в результате слияния струй газа из нескольких трубок, проходит через промежуток между электродами.

Опора для обрабатываемого тела выполнена таким образом, что поверхность тела, помещенного на ее или ее часть, оказывается в зоне существования плазменной среды и, следовательно, подвергается ее воздействию. Механизм воздействия плазмы на поверхность состоит в том, что при соприкосновении с плазмой возникает диффузионный поток активных частиц к упомянутой поверхности. Частицы из плазмы, попадая на поверхность, производят обеспложивание находящихся на ней микроорганизмов. Плотность потока и, следовательно, эффективность обеспложивающего воздействия частиц плазмы тем выше, чем выше их концентрация в самой плазменной среде, т.е чем в большей степени плазма является неравновесной. Существенной неравновесности плазменной среды в данном случае добиваются путем выбора формы во времени напряжения, прикладываемого к электродам. Наиболее предпочтительно для использования в данном устройстве напряжение импульсной формы или переменное синусоидальное напряжение высокой частоты.

Предлагаемый способ с достижением указанного технического результата быть реализован с помощью устройства, включающего генератор плазмы атмосферного давления, систему подачи плазмообразующих газов, источник питания и опору для обрабатываемого тела, причем генератор плазмы в этом устройстве выполнен как формирователь плазменной среды, состоящий по крайней мере из двух электродов, соединенных с источником питания, разрядный промежуток между которыми связан с системой подачи газов, а опора выполнена с возможностью размещения обрабатываемого тела в разрядном промежутке.

Для придания конструкции большей компактности и уменьшения энергопотребления там, где это возможно, функции опоры несет один из электродов. В этом случае обрабатываемое тело располагается на стороне электрода (который большей частью выполнен плоским) обращенной к разрядному промежутку.

Также для целей компактности конструкции и уменьшения расхода плазмообразующего газа, а также для повышения концентрации активных частиц плазменной среды за счет уменьшения ее объема электроды выполняют размещенными в диэлектрических трубках, каждая из которых соединена с системой подачи газов.

Так как подаваемый в промежуток плазмообразующий газ служит материалом для образования плазменной среды, пространственные характеристики формируемой плазмы существенно определяются характером течения плазмообразующего газа в промежутке. Для того, чтобы газ равномерно заполнял промежуток и его распределение в промежутке не зависело гидродинамически от способа его подачи, в промежуток между электродами помещается дополнительно контейнер из диэлектрического материала, а плазмообразующий газ подается внутрь этого контейнера. Опора с размещаемым на ней обрабатываемым телом при этом располагается также внутри контейнера. При данных условиях распределение плазменной среды в пространстве, которое она занимает (а это внутренний объем контейнера) определяется гидродинамическим взаимодействием плазмы и стенок контейнера. То есть, подбирая внутреннюю форму контейнера, можно влиять на распределение плазменной среды в пространстве.

В ряде случаев для обрабатывания тел не требуется специальной опоры, и ее роль может выполнять внутренняя стенка контейнера. В этом случае рельеф стенки определяется задачами создания оптимальных условий обработки поверхности тела.

Для повышения равномерности электрического разряда внутри контейнера (а, следовательно, распределения плазменной среды) по крайней мере один из электродов выполняют протяженным охватывающим стенки контейнера.

Для уменьшения энергозатрат при создании и поддержании плазменной среды по крайней мере один из электродов может помещаться внутрь контейнера. Таким образом сокращается величина межэлектродного промежутка и формирование плазменной среды происходит при более низких энергозатратах.

Одним из важных применений данного метода и устройства является обработка внутренних поверхностей полых тел и, в частности, бутылок, флаконов и прочих емкостей для жидких и сыпучих веществ, применяемых в пищевой и медицинской промышленности, а также в других отраслях.

Принцип работы устройства в данном случае аналогичен принципу работы устройства, снабженного контейнером, за исключением того, что здесь обрабатываемое полое тело выполняет одновременно и функции контейнера.

При обработке поверхностей больших по размеру, чем характерный размер области пространства, занимаемой плазменной средой, целесообразно использовать относительное перемещение поверхности и формирователя плазменной среды. В данном случае плазменная среда как бы сканирует по поверхности тела. Устройство, допускающее возможность относительного перемещения, необходимо применять при таких процессах, как обработка ленты из упаковочного материала или обработка внутренних поверхностей трубок.

Для регулирования и протоколирования режимов обработки поверхности устройство может быть снабжено системой контроля параметров поверхности и параметров плазменной среды. Состав такой системы может отличаться в зависимости от конкретного применения устройства. Система контроля может включать различные датчики, например, датчики температуры, состава и формы плазменной среды, а также температуры поверхности и геометрических размеров обрабатываемого тела.

Изобретение поясняется описанием конкретных, но не ограничивающих изобретение вариантов выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых на фиг. 1 представлено устройство для стерилизации открытых поверхностей с электродами размещенными в трубках; на фиг. 2 устройство для стерилизации открытых поверхностей с выполнением одного из электродов плоским и использованием его в качестве опоры; на фиг. 3 устройство для стерилизации содержимого диэлектрического контейнера, помещенного в промежуток между электродами; на фиг. 4 устройство для стерилизации содержимого диэлектрического контейнера с размещением одного из электродов внутри контейнера; на фиг. 5 устройство для стерилизации внутренней поверхности флакона или иных емкостей; на фиг. 6 - устройство для стерилизации внутренних поверхностей диэлектрических трубок.

Устройство на фиг. 1 содержит формирователь 1 плазменной среды 2 атмосферного давления, источник питания разряда переменного тока 3, систему подачи аргона 4. Формирователь 1 плазменной среды 2 состоит из одной пары электродов 5 и 6, каждый из которых соединен с источником питания 3. Электроды 5 и 6 выполнены в виде стержней из вольфрама и расположены в кварцевых трубках 7. Трубки 7 соединены с системой подачи аргона 4. Электроды 5 и 6 расположены под углом 65^oC расстояние между их наиболее близкими точками составляет 8 мм.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Газ аргон подают из системы подачи газа 4 через кварцевые трубки 7 в зону разряда с расходом 0,2 л/мин. Затем включают источник питания 3 и возбуждают электрический разряд между электродами 5 и 6. Разряд возбуждается при атмосферном давлении на частоте 110 кГц, амплитуда напряжения, прикладываемого к электродам 5 и 6, составляет 4 кВ. Таким образом формируется плазменная среда 2. Изменяя расход аргона, устанавливают плотность теплового потока к обрабатываемой поверхности на заданном уровне. Значение плотности теплового потока контролируется пироэлектрическим или болометрическим датчиком (на фиг.1 не показан), который вносится в плазменную среду на время установления плотности теплового потока, а затем убирается. В области образования плазменной среды 2 на расстоянии 12 мм от выходов трубок 7 помещают обрабатываемую поверхность 8. Обработка проводится за такое время, при котором каждая точка поверхности подвергается воздействию плазменного потока в течение не более чем 0,5 с.

Тепловое воздействие плазменной среды не является в предлагаемом методе основным механизмом, обусловливающим эффект, однако величина теплового потока является наиболее легко и быстро измеряемой среди параметров, описывающих свойств плазменной среды. Вместе с тем знание величины теплового потока к поверхности позволяет сделать выводы о значениях других характеристик плазмы.

На фиг. 2 изображена структура устройства, один из электродов которого выполнен плоским и используется в качестве опоры для обрабатываемого тела. Этот электрод 6 представляет собой ленту конвейера, несущего обрабатываемое тело 8. Конвейер приводится в движение приводом 9, осуществляя таким образом относительное перемещение формирователя плазменной среды и обрабатываемой поверхности. Второй электрод 5 выполнен в виде металлической трубки внешним диаметром 10 мм и диаметром отверстия 2 мм, соединенной с системой подачи газов 4. Оба электрода соединены с источником питания 3. Расстояние между электродами составляет 5 мм.

В непосредственной близости от промежутка между электродами установлен пироэлектрический бесконтактный датчик температуры 10, соединенный с блоком обработки сигнала датчика 11. Этот датчик служит для измерения температуры обрабатываемой поверхности сразу после выхода ее из плазменной среды.

На фиг. 3 изображено устройство для создания плазменной среды внутри контейнера, помещенного в промежуток между электродами.

Устройство состоит из собственно контейнера 12 (кварцевый стакан диаметром 50 мм и глубиной 70 мм), крышки 13, имеющей канал 14 в центральной части для подачи газа и образующей зазор 2 мм со стенками контейнера 12, системы подачи газов 4, обеспечивающей подачу газов через канал 14 внутрь контейнера 12, а также из двух электродов 5 и 6, соединенных с источником питания 3. Электроды выполняются плоскими, причем, один из них 5 расположен на внешней стороне крышки 13, а другой с внешней стороны контейнера 12, охватывая его боковую стенку в виде кольца. Внутрь контейнера на его дно помещается обрабатываемое тело 8.

Порядок работы устройства аналогичен изложенному. Подают газовую среду из системы подачи газа 4 через канал 14 крышки 13 внутрь контейнера 12, затем включают источник питания 3. Газовая среда, попадая внутрь контейнера 12, растекается по всему его внутреннему объему, обтекая тело 18 со всех сторон, принимая его форму, и выходит через зазор между стенками контейнера 12 и крышкой 13.

Плазменный разряд зажигается в газовой среде внутри сосуда между электродами 5 и 6 на частоте 180 кГц, напряженность поля в зоне разряда обеспечивается на уровне 5·10⁴ В/м. Первоначально крышку 13 устанавливают на расстоянии 10 мм от дна контейнера 12. Газ подают с расходом 0,8 л/мин.

После зажигания разряда крышку 13 поднимают на расстояние 50 мм от дна, а расход газа постепенно увеличивают до значения 1,3 л/мин. При этом плотность теплового потока на обрабатываемую поверхность устанавливается на уровне 7,5·10⁴ Вт/м². Источник питания 3 включают на время от 3 до 5 с.

Это устройство на фиг. 4 аналогично описанному в предыдущем примере и отличается лишь формой и расположением электродов 5 и 6, один из которых 5 расположен на внутренней стороне крышки 13, и наличием у него телевизионной камеры 15, позволяющей наблюдать оптические характеристики плазменной среды внутри контейнера 12. Камера 15 соединен с блоком обработки ее сигналов 16.

На фиг. 5 изображен вариант реализации устройства для обработки внутренних поверхностей полых тел.

Обрабатываемым телом в данном примере является стеклянный флакон 8 для лекарственных препаратов. Электроды 5 и 6 выполнены коаксиальными, закрепленными на изоляторе 17. Средний электрод 5 выполнен в виде трубки, соединенной с системой подачи газов 4. Система электродов размещается относительно флакона 8 так, что электрод 5 оказывается внутри него. Порядок работы устройства аналогичен описанному выше. Для флакона емкостью 10 мл применяются следующие режимы обработки: напряженность электрического поля 450 В/мм, расход аргона 1,6 л/мин, продолжительность обработки 15 с.

На фиг. 6 изображено устройство для обработки внутренних поверхностей протяженных диэлектрических трубок.

Устройство состоит из формирователя 1 плазменной среды, источника питания 3, системы подачи газов 4. Формирователь 1 плазмы состоит из одной пары электродов 5 и 6, соединенных с источником питания 3, выполненных в виде прямоугольных медных пластин, изогнутых по внешней цилиндрической поверхности трубки 8. Электроды 5 и 6 посредством фланца 18 соединены с приводами тангенциального 19 и осевого 9 перемещения. Трубка 8 имеет внешний диаметр 12 мм и внутренний диаметр 10 мм. Угловой размер сектора охвата трубки 8 каждым из электродов 5 и 6 составляет 65^o, линейный осевой размер электрода 25 мм.

Устройство работает следующим образом. С помощью системы подачи газов 4 подают аргон в трубку 8 с расходом 0,8 л/мин. Прикладывают электрическое напряжение величиной 7500 В с частотой 110 кГц к электродам 5 и 6. Выходную мощность источника питания устанавливают на уровне 325 Вт, напряженность электрического поля внутри трубки 10 при этом 5·10² В/мм. При таких режимах работы устройства плотность теплового потока внутри трубки 8 будет составлять 3,5·10⁴ Вт/м². Электроды 5 и 6 с помощью приводов 19 и 9 совершают вращательное движение вокруг оси трубки 8 со скоростью 0,5 об/с и поступательное движение вдоль оси со скоростью 0,13 м/с. При данных режимах обработки внутри трубки 8 создается плазменная среда, обладающая стерилизующими свойствами. С вращением и поступательным движением электродов 5 и 6 плазма последовательно заполняет весь объем трубки 8,охватывая всю ее внутреннюю поверхность.

Используя число пар электродов в генераторе плазмы большее, чем одна, можно повысить поток активных частиц к стерилизуемой поверхности, повысив, следовательно, эффективность обработки.

Кроме того, способ и устройство могут быть использованы для решения других задач, не связанных со стерилизационной обработкой, например, для осаждения пленки двуокиси кремния на поверхность из полиэтилена. Исходным веществом при этом служит кремнийорганическое соединение гексаметилдисилизан. Пары этого вещества подаются в диэлектрические трубки (см.фиг.1) в смеси с аргоном в соотношении 1:25 при температуре от 50 до 55^oС. В плазменной среде происходит разложение гексаметилдисилизана с образованием ионов кремния, которые, оседая на поверхность полиэтилена в результате диффузии из плазменной среды к поверхности и соединяясь с ионами и активированными молекулами кислорода, проникаемого в плазму из окружающего воздуха, образуют на ней плотную пленку двуокиси кремния.

Для проверки эффективности действия метода применительно к пищевой промышленности проводились испытания стерилизующего воздействия на поверхность образцов материала (полиэтилен), используемого для упаковки пищевых продуктов.

Подготовка и исследования образцов проводились в научно-исследовательском институте Практической Токсикологии и Дезинфекции Госкомэпиднадзора РФ. Результаты экспериментов продемонстрировали полное отсутствие роста тестовых микробных культур, нанесенных на образцы материала после обработки предлагаемым методом.

Для проверки эффективности метода в области медицины проводилась серия клинических испытаний в Московском Стоматологическом институте им.Семашко на кафедрах пропедевтики ортопедической стоматологии и микробиологии, иммунологии, вирусологии, которые также подтвердили высокую эффективность заявляемого метода.

Формула изобретения

1. Способ обработки поверхностей тел преимущественно для их стерилизации, включающий подачу плазмообразующих газов при атмосферном давлении в разрядный промежуток, образуемый по меньшей мере двумя электродами, возбуждение в нем электрического разряда и совмещение поверхности обрабатываемого тела со средой обработки, отличающийся тем, что обрабатываемое тело размещают в разрядном промежутке, а электрический разряд возбуждают путем приложения к электродам напряжения, изменяющегося во времени, достаточного для формирования плазменной среды, принимающей форму поверхности обрабатываемого тела при прямом контакте с ней, и воздействуют этой средой на обрабатываемую поверхность.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве плазмообразующих газов используют инертные газы, и/или азот, и/или кислород, и/или их смеси.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что формирование плазменной среды осуществляют дополнительно за счет изменения расхода плазмообразующих газов и/или мощности электрического разряда.

4. Способ по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что обработку поверхности осуществляют путем относительного перемещения плазменной среды и обрабатываемой поверхности.

5. Способ по любому из пп. 1 4, отличающийся тем, что обработке подвергают медицинские инструменты.

6. Способ по любому из пп. 1 4, отличающийся тем, что обработке подвергают полые тела.

7. Способ по любому из пп. 1 8, отличающийся тем, что воздействие плазменной средой на поверхность тела осуществляют с учетом контроля параметров поверхности обрабатываемого тела и плазменной среды.

8. Устройство обработки поверхностей тел преимущественно для их стерилизации, содержащее генератор плазмы атмосферного давления, состоящий по меньшей мере из двух электродов, соединенных с источником питания, систему подачи плазмообразующих газов и опору для обрабатываемого тела, отличающееся тем, что опора выполнена с возможностью размещения обрабатываемого тела в разрядном промежутке, а генератор плазмы выполнен как формирователь плазменной среды, принимающей форму обрабатываемого тела при прямом контакте, за счет приложения к электродам напряжения, изменяющегося во времени, выполнения электродов и их размещения относительно обрабатываемого тела.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что электроды выполнены в диэлектрических трубках, каждая из которых соединена с системой подачи газов.

10. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что по меньшей мере один из электродов выполнен плоским.

11. Устройство по п.8, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено контейнером из диэлектрического материала, объем которого соединен с системой подачи газов, а опора размещена внутри контейнера.

12. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что по меньшей мере один из электродов выполнен протяженным, охватывающим стенку контейнера.

13. Устройство по п.11, отличающееся тем, что один из электродов размещен внутри контейнера.

14. Устройство по п.8, отличающееся тем, что для обработки внутренней поверхности полых тел их внутренний объем соединен с системой подачи газов, а один из электродов расположен внутри этого объема.

15. Устройство по любому из пп.10-14, отличающееся тем, что формирователь плазменной среды и опора для обрабатываемого тела или тело имеет возможность перемещения по отношению друг к другу.

16. Устройство по любому из пп.8-15, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено системой контроля параметров поверхности обрабатываемого тела и плазменной среды.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6