用於對包裝製品殺菌的裝置與方法

2023-04-25 14:38:26 1

用於對包裝製品殺菌的裝置與方法
【專利摘要】用於消毒包裝製品(110)的包裝物消毒機，包括：工作面，其設置用於接收待消毒的包裝製品；第一電極與第二電極(104、106)；其中第一電極與第二電極在工作面的一部分區域的後側延伸，而第一電極布置在第二電極與工作面之間，並且第一電極包括多個間隙，其被設置使得在使用中，當將電壓差施加在第一電極與第二電極之間時，關聯的電場能夠延伸穿過間隙到工作面之外，並進入所述待消毒的包裝製品的包裝物中，其中第一電極與第二電極包括鄰近的延伸表面，所述延伸表面基本上位於沿工作面的方向的位置，工作面提供與第一電極和第二電極的鄰近空間範圍相關的電容(120)並且提供電感(118)，其中基於所述空間範圍來選擇電感，以修正電極設置的諧振頻率。
【專利說明】用於對包裝製品殺菌的裝置與方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種用於對包裝製品（如包裝食品與飲料產品）殺菌的裝置與方法。 本發明還涉及針對此目的產生等離子體的裝置，以及相關的電氣系統和電極構型以及它們 用於對包裝製品消毒或殺菌的方法。

【背景技術】
[0002] 國際專利申請W02010/116191公開了一種產生等離子體的裝置與方法，其中，設 置兩個電極，使得當施加足夠高的電壓時，電極之間的電磁場產生冷等離子體，其能量高到 足以將空氣中的氧氣轉化為臭氧以及其它基於活性氧的種類。同一發明人的進一步工作已 經提供了各種實用的電極構型。
[0003] 以這種方式設置的兩個電極相當於電容器。在一些設置中，兩個電極可以具有平 面型構型，並且可以一定間隔設置在這些平面型電極的兩個主表面之間。一個（或兩個） 電極中的間隙或孔洞使得電場從板間"漏出"。在合適的條件下，這種電場漏出可以用於產 生等離子體。儘管這種設置可具有一些優點，但是像這樣的設置具有特別高的電容。
[0004] 在這種情況下,本發明人已經認識到,在以這種方式設置電極的情況下，電極的電 容可能會有損於往返電極的功率傳輸效率，尤其因為大量功率用來建立與維持板間的電 場。在實際商用系統中，功率消耗是重大的工藝成本。出於保護環境的目的也希望提高效 率。


【發明內容】

[0005] 本發明各方面與實例針對所附權利要求書中提出的這些問題。
[0006] 在目前情況下，本發明人發現使用（例如在無線電頻率範圍中的）高頻交變電流 有利於驅動用於這些系統的電極，儘管這有些違反直覺，但是在電容性電極包括電感性負 載卻是有利的。雖然，在高頻電壓存在的情況下，通常將會認為電路中電感的存在將是不利 的，但是本發明的實例能夠對電極進行諧振操作或子諧振操作。本質上等離子體產生裝置 的電極可以視為猶如它們是LCR諧振振蕩電路的一部分，並且發現這在實際系統中具有操 作效益。
[0007] -方面，提供了一種用於消毒包裝製品的包裝物消毒機，包括：工作面，其設置用 於接收待消毒的包裝製品；第一電極與第二電極，其中第一電極與第二電極在工作面的一 部分區域的後側延伸，而第一電極布置在第二電極與工作面之間，並且第一電極包括多個 間隙，其被設置使得在使用中，當將電壓差施加在第一電極與第二電極之間時，關聯的電場 能夠延伸穿過間隙到工作面之外，並延伸進入所述待消毒的包裝製品的包裝物中，其中第 一電極與第二電極包括鄰近的延伸表面，延伸表面基本上位於沿著工作面的方向的位置， 工作面提供與第一電極和第二電極的鄰近空間範圍相關的電容，並提供電感，其中，電感基 於空間範圍來選擇，以修正電極設置的諧振頻率。
[0008] 在一個實施例中，包裝物消毒機包含設置在第一電極與第二電極之間的電介質， 電介質的擊穿電壓至少是20kV/mm，優選地至少是30kV/mm。在一些實施例中，電介質選自 包含以下各項的列表：氮化硼、shapal、雲母、以及合成雲母（例如合成氟金雲母）。
[0009] 在一些實施例中，第一電極與第二電極中的至少一個包括電感，但是在其他實施 例中可提供單獨的電感。在一些情況中，第一電極與第二電極種的至少一個包括線圈。術 語"線圈"不一定都應意味著是圓截面。通常會使用扁平的、基本為矩形的截面，儘管這是 有利的，但也是可選的。
[0010] 優選地，基於空間範圍和/或電極的電容選擇電感，以修正電極設置的諧振頻率。 可選擇這種修正以調諧電極阻抗，從而提高到電極的功率傳輸。螺旋狀電極可提供電感。在 一些情況中，除了螺旋狀電極本身以外或者作為螺旋狀電極本身的替換，提供單獨的電感。 雖然電極包括電感是有利的，但這不是必須的，並且可以在系統中的其它地方提供電感。
[0011] 在一些實施例中，設置了至少一個電極，以提供導電通路，導電通路橫穿至少一個 電極的延伸表面，以提供所述電感的至少一部分。為此，導電通路可為Z字形的、盤旋狀的 或螺旋狀的，使得其反覆地橫穿延伸表面。術語Z字形的、盤旋狀的以及螺旋狀的旨在包括 通路反覆摺疊和/或反覆彎曲回到其本身的任意設置。在一些實施例中，電極呈盤旋狀形 式或螺旋狀的，以提供所述導電通路。
[0012] 在一些實施例中，至少一個電極包括第一電極，並且導電通路設置為橫穿所述間 隙之間的工作面。優選地，第一電極與第二電極中的至少一個電極包括平面型絕緣體和導 電材料，設置導電材料以提供沿所述絕緣體表面的導電通路，並且導電材料可以設置在多 個帶中，例如，所述多個帶在交替端部處導電地耦合。在交替端部處耦合可按如下方式進 行，所述方式提供摺疊的、Z字形的或盤旋狀的導電通路。
[0013] 在一些實施方案中，導電材料包含一層，並且這一層被蝕刻為以提供所述帶。在一 些實施例中，該層放置沉積在或固定到所述絕緣體上。在一些實施例中，絕緣體的兩個主表 面包括導電材料帶。帶可基本上彼此平行，並且可設置在絕緣體的相反表面上。當所述帶 設置在所述絕緣體的相反表面上的情況下，其穿過所述絕緣體在所述帶的交替端部處導電 地耦合，以提供螺旋狀的導電通路，其橫穿所述絕緣體的交替表面，同時橫穿所述電極的延 伸表面。
[0014] 優選地，在第二電極上的帶設置為使得絕緣體相反表面上的帶重疊。
[0015] 優選地，在第一電極上的至少一些帶設置為使得絕緣體相反表面上的帶不重疊， 從而提供所述間隙。優選地，由設置成扁平線圈的絕緣導線提供至少一個電極。優選地，電 感是可調節的，並且包裝物消毒機可包括用於調節電感的多個導電元件。例如，導電元件包 括壓控阻抗（諸如電晶體）。
[0016] 包裝物消毒機可包括與所述電極中的一個串聯耦合的附加電容，並且優選地，電 容與電極集成在單個單元中。
[0017] 優選地，第二電極接地，並且絕緣體將第一電極覆蓋。本發明的這個實例與其他實 例具有以下優點：提供了提高的安全性，這是因為不需要將第二電極（例如具有間隙的電 極）絕緣，並且發明人發現，這樣能夠使用比其他情況的絕緣電極所需電壓更低的施加電 壓在包裝製品中建立等離子體（即非絕緣電極允許更低的等離子體衝擊電壓）。
[0018] 本發明的實施例包含消毒包裝製品的方法，該方法包括在根據任一項前述權利要 求的包裝物消毒機的工作面附近設置包裝製品，以及將電壓施加到所述電極，以在所述包 裝物內產生臭氧。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 現將僅參照附圖通過示例的方式對本發明實施例進行描述，在附圖中：
[0020] 圖1示出了用以在包裝製品內產生臭氧的裝置的一般示意圖；
[0021] 圖2示出了與連接到電源的電容頭鄰近的包裝製品的示意圖，其中的部件用簡化 等效電路表不；
[0022] 圖3示出了具有局部截面圖插圖的電極的平面圖；
[0023] 圖4示出了另一個電極的平面圖；
[0024] 圖5示出了通過包括諸如圖3所示的電極與諸如圖4所示的第二電極的電極頭的 一部分的截面；
[0025] 圖6出示了電極可能的改進；
[0026] 圖7示出了通過電極頭的一部分的截面；
[0027] 圖8示出了通過電極頭的一部分的另一截面；以及
[0028] 圖9示出了通過電極頭的一部分的另一截面。

【具體實施方式】
[0029] 總的來說，本發明的方法與裝置一般地應用在與基本上類似於圖1中所示的系統 中。
[0030] 在圖1中，包裝物消毒裝置1000包含：電源100、阻抗匹配器102以及包括第一電 極104與第二電極106的電極頭。傳送機108將包裝製品110運送電極產生的電場112中 的位置內。
[0031] 在操作中，傳送機108將包裝製品110運送到鄰近電極頭104、電極頭106的位置。 電極頭104、電極頭106由具有高頻AC電壓的電源100U02供電，以在電極周圍產生電場 112。電場穿透包裝製品，並通過施加足夠高的電壓和/或頻率可以在包裝製品110內產生 冷等離子體。已經發現，若包裝物含有氧氣，則該等離子體會產生臭氧以及其它活性物質， 並且認為這樣減少了包裝物中食品腐敗微生物的數目，因此增加了食品的貯存期限。
[0032] 圖1僅僅是示意圖，儘管依照相同的一般原則來設置，但實際系統將以各種不同 的方式來設置。例如，為了清楚起見，電極104、電極106並排示出，猶如它們是分離的物理 結構。但是這不是必須如此，並且（下面會解釋）可將電極設置成一個在另一個的頂部和 /或通過相同物理結構的部分來提供、或者單獨提供電極。
[0033] 如圖1所示，優選地如下配置該裝置使得在使用中將包裝製品應用在電極頭下 方。這樣，包內的內容物由重力作用來保持遠離電極（在包的底部），並且包內有鄰近電極 的空氣空間。這樣具有的優點是：等離子體在空氣間隙中形成，並且食物（或包裝物內的其 他內容物）不受電場作用且不會干擾等離子體的產生。
[0034] 參考圖2到圖9,下面更詳細地描述電極的結構與它們的電氣構型。總之，電極是 纏繞成扁平構型的線圈，扁平構型將一定程度的電感引入到電極中。
[0035] 匹配阻抗102可包括降低電極頭104、電極頭106的表觀電容的串聯電容。電極 一般不彼此導電地耦合，所以電路實際上經由扁平線圈之間產生的電場來完成，猶如電極 頭104、電極頭106僅僅是大電容器。若線圈沿相同方向纏繞，例如沿右手方向纏繞，且然後 定位線圈使得它們彼此相對（線圈驅動在一個電極線圈104的左手側以及另一個電極線圈 106的右手側的連接），那麼流過線圈組合的電流在整個電極線圈對104、106的任意位置總 遇到相同的阻抗。電極的電容性阻抗、電感性阻抗以及電阻性阻抗分布於所有電極上。
[0036] 電源的電壓輸出範圍通常是6kV到18kV峰值，最大電流輸出是15mA，以及工作頻 率範圍是IkHz到80kHz。電源的輸出功率通常在每電極頭（每對電極）10到500瓦的範圍 內。電源的輸出阻抗大約為30歐姆。也可使用其它類型的電源。為了產生冷等離子體，優 選地，在頻率40KHz時使用至少7kV峰值（例如峰到峰）的電壓，但是，這些數值僅僅是優 選的實例，並且不應當解釋成限制性的。傳送機可以是傳送帶或將包裝製品帶到電場112 的範圍內的其他任何工具。在一些情況下，電極104、電極106可以是可移動的，並且所以可 以將它們移動到包裝製品110的範圍內。傳送機是可選的，並且可以考慮可攜式電極系統， 這將在以下更詳細討論。同樣地，電源一般是輔助性的，並且，本發明的實例僅需要與電源 可耦合，即可以單獨提供電源本身。
[0037] 圖2示出圖1中的物理構型的簡化電氣示意圖，圖1中的電極是扁平纏繞的線圈。 在此示意圖中，圖1的裝置包括AC電源100、RQ的串聯電阻114、C1法拉的串聯電容116。 同樣，在此示意圖中，當裝置在使用時，包裝製品110含有電場112中的等離子體區域，並且 因此包括某個Cp法拉的等離子體電容124以及某個Lp亨利的等離子體電感126。也有與 等離子體相關聯的某個RpQ的串聯電阻128,以及由於等離子體充當虛擬電極而出現的某 個較小電容Cs。
[0038] 如圖2所示，圖1的第一扁平纏繞線圈電極104包含電感118。此電感為Ll亨利。 同樣地，在圖2中由電感120表示第二扁平纏繞線圈電極106的電感。此電感為L2亨利。 電極104、電極106 -起的設置使得電極之間產生C2法拉的電容，並且在圖2中這由電容 120表示。這些電感與電容的典型值是Cl = 600nF、Ll = 2. 3yH、L2 = 1.8μΗ。
[0039] 電感118與電容120串聯耦合，進而與電容122串聯耦合。電感122串聯耦合於 電源100與電容120之間。
[0040] 包裝製品110中的等離子體電容124可以認為是與等離子體電感126並聯耦合。 此並聯LC電路串聯耦合到與等離子體相關聯的串聯電阻128以及因等離子體充當虛擬電 極而出現的較小電容130。虛線132、虛線134表明在電極104、電極106以及包裝製品110 之間存在電容性（與輕微電感性）耦合。
[0041] 該裝置的總電容C(不包括包裝製品貢獻的電容，其出於第一近似的目的而可以 被忽略）是：

【權利要求】
1. 一種用於消毒包裝製品的包裝物消毒機，所述包裝物消毒機包括： 工作面，其設置用於接收待消毒的包裝製品； 第一電極與第二電極； 其中，所述第一電極與所述第二電極在所述工作面的一部分區域的後側延伸，而所述 第一電極布置在所述第二電極與所述工作面之間，並且所述第一電極包括多個間隙，其被 設置使得在使用中，當將電壓差施加在所述第一電極與所述第二電極之間時，關聯的電場 能夠延伸穿過所述間隙到所述工作面之外，並進入所述待消毒的包裝製品的包裝物內， 其中，所述第一電極與所述第二電極包括鄰近的延伸表面，所述鄰近的延伸表面基本 上位於沿著所述工作面的方向的位置，所述工作面提供與所述第一電極和所述第二電極的 鄰近空間範圍相關的電容並提供電感，其中，基於所述空間範圍來選擇所述電感，以修正電 極設置的諧振頻率。
2. 根據權利要求1所述的包裝物消毒機，其包括電介質，所述電介質設置在所述第一 電極與所述第二電極之間，所述電介質的擊穿電壓至少是20kV/mm。
3. 根據權利要求1所述的包裝物消毒機，其中，所述電介質選自包含以下物質的列表： 氮化硼、shapal、雲母、以及例如合成氟金雲母的合成雲母。
4. 根據前述權利要求中任一項所述的包裝物消毒機，其中，所述第一電極與所述第二 電極中的至少一個電極包括電感。
5. 根據權利要求4所述的包裝物消毒機，其中，所述第一電極與所述第二電極中的至 少一個電極包括線圈。
6. 根據前述權利要求中任一項所述的包裝物消毒機，其中，設置所述至少一個電極以 提供導電通路，所述導電通路橫穿所述至少一個電極的延伸表面，以提供所述電感的至少 一部分。
7. 根據權利要求6所述的包裝物消毒機，其中，所述導電通路是盤旋狀的或螺旋狀的， 使得所述導電通路重複地橫穿所述延伸表面。
8. 根據權利要求7所述的包裝物消毒機，其中，所述電極是螺旋狀的，以提供所述導電 通路。
9. 根據權利要求6、7或8所述的包裝物消毒機，其中，所述至少一個電極包括所述第一 電極，並且所述導電通路設置為橫穿所述間隙之間的所述工作面。
10. 根據前述權利要求中任一項所述的包裝物消毒機，其中，所述第一電極與所述第二 電極中的至少一個電極包括平面型絕緣體以及導電材料，所述導電材料設置為提供沿著所 述絕緣體的表面的導電通路。
11. 根據權利要求10所述的包裝物消毒機，其中，所述導電材料設置在多個帶中。
12. 根據權利要求11所述的包裝物消毒機，其中，所述多個帶在交替端部處導電地耦 合。
13. 根據權利要求12所述的包裝物消毒機，其中，在交替端部處耦合的帶提供摺疊的、 Z字形的或盤旋狀的導電通路。
14. 根據權利要求11、12或13所述的包裝物消毒機，其中，所述導電材料包括一層，並 且這一層被蝕刻為提供所述帶。
15. 根據權利要求14所述的包裝物消毒機，其中，這一層沉積在所述絕緣體上或固定 到所述絕緣體上。
16. 根據權利要求10-15中任一項所述的包裝物消毒機，其中，所述絕緣體的兩個主表 面包括導電材料帶。
17. 根據權利要求16所述的包裝物消毒機，其中，所述帶基本上彼此平行。
18. 根據權利要求16或17所述的包裝物消毒機，其中，設置在所述絕緣體相反表面上 的帶穿過所述絕緣體在所述帶的交替端部處導電地耦合，以提供螺旋狀的導電通路，所述 導電通路橫穿所述絕緣體的交替表面，同時橫穿所述電極的延伸表面。
19. 根據權利要求18所述的包裝物消毒機，其中，在所述第二電極上的帶被設置使得 所述絕緣體的相反表面上的帶重疊。
20. 根據權利要求18或19所述的包裝物消毒機，其中，在所述第一電極上的至少一些 帶被設置使得所述絕緣體的相反表面上的帶不重疊，從而提供所述間隙。
21. 根據權利要求1-10中任一項所述的包裝物消毒機，其中，由設置成扁平線圈的絕 緣導線提供所述電極中的至少一個電極。
22. 根據權利要求1-21中任一項所述的包裝物消毒機，其中，電感是可調節的。
23. 根據權利要求22所述的包裝物消毒機，其包括用於調節電感的多個導電元件。
24. 根據權利要求23所述的包裝物消毒機，其中，所述導電元件包括壓控阻抗。
25. 根據前述權利要求中的任一項所述的包裝物消毒機，其包括與所述電極中的一個 電極串聯耦合的附加電容。
26. 根據權利要求25所述的包裝物消毒機，其中，所述電容與所述電極集成在單個單 元中。
27. 根據前述權利要求中的任一項所述的包裝物消毒機，其中，所述第一電極與所述第 二電極中的一個電極接地。
28. -種消毒包裝製品的方法，所述方法包括：將包裝製品設置在鄰近根據前述權利 要求中的任一項所述的包裝物消毒機的工作面，以及將電壓施加到所述電極，以在所述包 裝物中產生臭氧。
29. -種包裝物消毒機，其基本上如本文參照附圖所描述的。
【文檔編號】B65B55/02GK104349981SQ201380027843
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年3月27日 優先權日:2012年3月29日
【發明者】馬爾科姆·羅伯特·斯努鮑爾 申請人:奧唑尼卡有限公司