用于對包裝制品殺菌的裝置與方法
【專利摘要】用于消毒包裝制品(110)的包裝物消毒機(jī)，包括：工作面，其設(shè)置用于接收待消毒的包裝制品；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(qū)域的后側(cè)延伸，而第一電極布置在第二電極與工作面之間，并且第一電極包括多個(gè)間隙，其被設(shè)置使得在使用中，當(dāng)將電壓差施加在第一電極與第二電極之間時(shí)，關(guān)聯(lián)的電場能夠延伸穿過間隙到工作面之外，并進(jìn)入所述待消毒的包裝制品的包裝物中，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于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范圍相關(guān)的電容(120)并且提供電感(118)，其中基于所述空間范圍來選擇電感，以修正電極設(shè)置的諧振頻率。
【專利說明】用于對包裝制品殺菌的裝置與方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于對包裝制品（如包裝食品與飲料產(chǎn)品）殺菌的裝置與方法。 本發(fā)明還涉及針對此目的產(chǎn)生等離子體的裝置，以及相關(guān)的電氣系統(tǒng)和電極構(gòu)型以及它們 用于對包裝制品消毒或殺菌的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 國際專利申請W02010/116191公開了一種產(chǎn)生等離子體的裝置與方法，其中，設(shè) 置兩個(gè)電極，使得當(dāng)施加足夠高的電壓時(shí)，電極之間的電磁場產(chǎn)生冷等離子體，其能量高到 足以將空氣中的氧氣轉(zhuǎn)化為臭氧以及其它基于活性氧的種類。同一發(fā)明人的進(jìn)一步工作已 經(jīng)提供了各種實(shí)用的電極構(gòu)型。
[0003] 以這種方式設(shè)置的兩個(gè)電極相當(dāng)于電容器。在一些設(shè)置中，兩個(gè)電極可以具有平 面型構(gòu)型，并且可以一定間隔設(shè)置在這些平面型電極的兩個(gè)主表面之間。一個(gè)（或兩個(gè)） 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于產(chǎn) 生等離子體。盡管這種設(shè)置可具有一些優(yōu)點(diǎn)，但是像這樣的設(shè)置具有特別高的電容。
[0004] 在這種情況下,本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到,在以這種方式設(shè)置電極的情況下，電極的電 容可能會(huì)有損于往返電極的功率傳輸效率，尤其因?yàn)榇罅抗β视脕斫⑴c維持板間的電 場。在實(shí)際商用系統(tǒng)中，功率消耗是重大的工藝成本。出于保護(hù)環(huán)境的目的也希望提高效 率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明各方面與實(shí)例針對所附權(quán)利要求書中提出的這些問題。
[0006] 在目前情況下，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)使用（例如在無線電頻率范圍中的）高頻交變電流 有利于驅(qū)動(dòng)用于這些系統(tǒng)的電極，盡管這有些違反直覺，但是在電容性電極包括電感性負(fù) 載卻是有利的。雖然，在高頻電壓存在的情況下，通常將會(huì)認(rèn)為電路中電感的存在將是不利 的，但是本發(fā)明的實(shí)例能夠?qū)﹄姌O進(jìn)行諧振操作或子諧振操作。本質(zhì)上等離子體產(chǎn)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，并且發(fā)現(xiàn)這在實(shí)際系統(tǒng)中具有操 作效益。
[0007] -方面，提供了一種用于消毒包裝制品的包裝物消毒機(jī)，包括：工作面，其設(shè)置用 于接收待消毒的包裝制品；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(qū)域的后側(cè)延伸，而第一電極布置在第二電極與工作面之間，并且第一電極包括多個(gè) 間隙，其被設(shè)置使得在使用中，當(dāng)將電壓差施加在第一電極與第二電極之間時(shí)，關(guān)聯(lián)的電場 能夠延伸穿過間隙到工作面之外，并延伸進(jìn)入所述待消毒的包裝制品的包裝物中，其中第 一電極與第二電極包括鄰近的延伸表面，延伸表面基本上位于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范圍相關(guān)的電容，并提供電感，其中，電感基 于空間范圍來選擇，以修正電極設(shè)置的諧振頻率。
[0008] 在一個(gè)實(shí)施例中，包裝物消毒機(jī)包含設(shè)置在第一電極與第二電極之間的電介質(zhì)， 電介質(zhì)的擊穿電壓至少是20kV/mm，優(yōu)選地至少是30kV/mm。在一些實(shí)施例中，電介質(zhì)選自 包含以下各項(xiàng)的列表：氮化硼、shapal、云母、以及合成云母（例如合成氟金云母）。
[0009] 在一些實(shí)施例中，第一電極與第二電極中的至少一個(gè)包括電感，但是在其他實(shí)施 例中可提供單獨(dú)的電感。在一些情況中，第一電極與第二電極種的至少一個(gè)包括線圈。術(shù) 語"線圈"不一定都應(yīng)意味著是圓截面。通常會(huì)使用扁平的、基本為矩形的截面，盡管這是 有利的，但也是可選的。
[0010] 優(yōu)選地，基于空間范圍和/或電極的電容選擇電感，以修正電極設(shè)置的諧振頻率。 可選擇這種修正以調(diào)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(dú)的電感。 雖然電極包括電感是有利的，但這不是必須的，并且可以在系統(tǒng)中的其它地方提供電感。
[0011] 在一些實(shí)施例中，設(shè)置了至少一個(gè)電極，以提供導(dǎo)電通路，導(dǎo)電通路橫穿至少一個(gè) 電極的延伸表面，以提供所述電感的至少一部分。為此，導(dǎo)電通路可為Z字形的、盤旋狀的 或螺旋狀的，使得其反復(fù)地橫穿延伸表面。術(shù)語Z字形的、盤旋狀的以及螺旋狀的旨在包括 通路反復(fù)折疊和/或反復(fù)彎曲回到其本身的任意設(shè)置。在一些實(shí)施例中，電極呈盤旋狀形 式或螺旋狀的，以提供所述導(dǎo)電通路。
[0012] 在一些實(shí)施例中，至少一個(gè)電極包括第一電極，并且導(dǎo)電通路設(shè)置為橫穿所述間 隙之間的工作面。優(yōu)選地，第一電極與第二電極中的至少一個(gè)電極包括平面型絕緣體和導(dǎo) 電材料，設(shè)置導(dǎo)電材料以提供沿所述絕緣體表面的導(dǎo)電通路，并且導(dǎo)電材料可以設(shè)置在多 個(gè)帶中，例如，所述多個(gè)帶在交替端部處導(dǎo)電地耦合。在交替端部處耦合可按如下方式進(jìn) 行，所述方式提供折疊的、Z字形的或盤旋狀的導(dǎo)電通路。
[0013] 在一些實(shí)施方案中，導(dǎo)電材料包含一層，并且這一層被蝕刻為以提供所述帶。在一 些實(shí)施例中，該層放置沉積在或固定到所述絕緣體上。在一些實(shí)施例中，絕緣體的兩個(gè)主表 面包括導(dǎo)電材料帶。帶可基本上彼此平行，并且可設(shè)置在絕緣體的相反表面上。當(dāng)所述帶 設(shè)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(dǎo)電 地耦合，以提供螺旋狀的導(dǎo)電通路，其橫穿所述絕緣體的交替表面，同時(shí)橫穿所述電極的延 伸表面。
[0014] 優(yōu)選地，在第二電極上的帶設(shè)置為使得絕緣體相反表面上的帶重疊。
[0015] 優(yōu)選地，在第一電極上的至少一些帶設(shè)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(yōu)選地，由設(shè)置成扁平線圈的絕緣導(dǎo)線提供至少一個(gè)電極。優(yōu)選地，電 感是可調(diào)節(jié)的，并且包裝物消毒機(jī)可包括用于調(diào)節(jié)電感的多個(gè)導(dǎo)電元件。例如，導(dǎo)電元件包 括壓控阻抗（諸如晶體管）。
[0016] 包裝物消毒機(jī)可包括與所述電極中的一個(gè)串聯(lián)耦合的附加電容，并且優(yōu)選地，電 容與電極集成在單個(gè)單元中。
[0017] 優(yōu)選地，第二電極接地，并且絕緣體將第一電極覆蓋。本發(fā)明的這個(gè)實(shí)例與其他實(shí) 例具有以下優(yōu)點(diǎn)：提供了提高的安全性，這是因?yàn)椴恍枰獙⒌诙姌O（例如具有間隙的電 極）絕緣，并且發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，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 壓在包裝制品中建立等離子體（即非絕緣電極允許更低的等離子體沖擊電壓）。
[0018] 本發(fā)明的實(shí)施例包含消毒包裝制品的方法，該方法包括在根據(jù)任一項(xiàng)前述權(quán)利要 求的包裝物消毒機(jī)的工作面附近設(shè)置包裝制品，以及將電壓施加到所述電極，以在所述包 裝物內(nèi)產(chǎn)生臭氧。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 現(xiàn)將僅參照附圖通過示例的方式對本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行描述，在附圖中：
[0020] 圖1示出了用以在包裝制品內(nèi)產(chǎn)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制品的示意圖，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(gè)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(jìn)；
[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(shí)施方式】
[0029] 總的來說，本發(fā)明的方法與裝置一般地應(yīng)用在與基本上類似于圖1中所示的系統(tǒng) 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(jī)108將包裝制品110運(yùn)送電極產(chǎn)生的電場112中 的位置內(nèi)。
[0031] 在操作中，傳送機(jī)108將包裝制品110運(yùn)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(chǎn)生電場 112。電場穿透包裝制品，并通過施加足夠高的電壓和/或頻率可以在包裝制品110內(nèi)產(chǎn)生 冷等離子體。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，若包裝物含有氧氣，則該等離子體會(huì)產(chǎn)生臭氧以及其它活性物質(zhì)， 并且認(rèn)為這樣減少了包裝物中食品腐敗微生物的數(shù)目，因此增加了食品的貯存期限。
[0032] 圖1僅僅是示意圖，盡管依照相同的一般原則來設(shè)置，但實(shí)際系統(tǒng)將以各種不同 的方式來設(shè)置。例如，為了清楚起見，電極104、電極106并排示出，猶如它們是分離的物理 結(jié)構(gòu)。但是這不是必須如此，并且（下面會(huì)解釋）可將電極設(shè)置成一個(gè)在另一個(gè)的頂部和 /或通過相同物理結(jié)構(gòu)的部分來提供、或者單獨(dú)提供電極。
[0033] 如圖1所示，優(yōu)選地如下配置該裝置使得在使用中將包裝制品應(yīng)用在電極頭下 方。這樣，包內(nèi)的內(nèi)容物由重力作用來保持遠(yuǎn)離電極（在包的底部），并且包內(nèi)有鄰近電極 的空氣空間。這樣具有的優(yōu)點(diǎn)是：等離子體在空氣間隙中形成，并且食物（或包裝物內(nèi)的其 他內(nèi)容物）不受電場作用且不會(huì)干擾等離子體的產(chǎn)生。
[0034] 參考圖2到圖9,下面更詳細(xì)地描述電極的結(jié)構(gòu)與它們的電氣構(gòu)型?？傊?，電極是 纏繞成扁平構(gòu)型的線圈，扁平構(gòu)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(lián)電容。電極 一般不彼此導(dǎo)電地耦合，所以電路實(shí)際上經(jīng)由扁平線圈之間產(chǎn)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，且然后 定位線圈使得它們彼此相對（線圈驅(qū)動(dòng)在一個(gè)電極線圈104的左手側(cè)以及另一個(gè)電極線圈 106的右手側(cè)的連接），那么流過線圈組合的電流在整個(gè)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于所有電極上。
[0036] 電源的電壓輸出范圍通常是6kV到18kV峰值，最大電流輸出是15mA，以及工作頻 率范圍是IkHz到80kHz。電源的輸出功率通常在每電極頭（每對電極）10到500瓦的范圍 內(nèi)。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(chǎn)生冷等離子體，優(yōu) 選地，在頻率40KHz時(shí)使用至少7kV峰值（例如峰到峰）的電壓，但是，這些數(shù)值僅僅是優(yōu) 選的實(shí)例，并且不應(yīng)當(dāng)解釋成限制性的。傳送機(jī)可以是傳送帶或?qū)b制品帶到電場112 的范圍內(nèi)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(dòng)的，并且所以可 以將它們移動(dòng)到包裝制品110的范圍內(nèi)。傳送機(jī)是可選的，并且可以考慮便攜式電極系統(tǒng)， 這將在以下更詳細(xì)討論。同樣地，電源一般是輔助性的，并且，本發(fā)明的實(shí)例僅需要與電源 可耦合，即可以單獨(dú)提供電源本身。
[0037] 圖2示出圖1中的物理構(gòu)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(lián)電阻114、C1法拉的串聯(lián)電容116。 同樣，在此示意圖中，當(dāng)裝置在使用時(shí)，包裝制品110含有電場112中的等離子體區(qū)域，并且 因此包括某個(gè)Cp法拉的等離子體電容124以及某個(gè)Lp亨利的等離子體電感126。也有與 等離子體相關(guān)聯(lián)的某個(gè)RpQ的串聯(lián)電阻128,以及由于等離子體充當(dāng)虛擬電極而出現(xiàn)的某 個(gè)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(shè)置使得電極之間產(chǎn)生C2法拉的電容，并且在圖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(lián)耦合，進(jìn)而與電容122串聯(lián)耦合。電感122串聯(lián)耦合于 電源100與電容120之間。
[0040] 包裝制品110中的等離子體電容124可以認(rèn)為是與等離子體電感126并聯(lián)耦合。 此并聯(lián)LC電路串聯(lián)耦合到與等離子體相關(guān)聯(lián)的串聯(lián)電阻128以及因等離子體充當(dāng)虛擬電 極而出現(xiàn)的較小電容130。虛線132、虛線134表明在電極104、電極106以及包裝制品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(不包括包裝制品貢獻(xiàn)的電容，其出于第一近似的目的而可以 被忽略）是：

【權(quán)利要求】
1. 一種用于消毒包裝制品的包裝物消毒機(jī)，所述包裝物消毒機(jī)包括： 工作面，其設(shè)置用于接收待消毒的包裝制品； 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(qū)域的后側(cè)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，并且所述第一電極包括多個(gè)間隙，其被 設(shè)置使得在使用中，當(dāng)將電壓差施加在所述第一電極與所述第二電極之間時(shí)，關(guān)聯(lián)的電場 能夠延伸穿過所述間隙到所述工作面之外，并進(jìn)入所述待消毒的包裝制品的包裝物內(nèi)， 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 上位于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 鄰近空間范圍相關(guān)的電容并提供電感，其中，基于所述空間范圍來選擇所述電感，以修正電 極設(shè)置的諧振頻率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的包裝物消毒機(jī)，其包括電介質(zhì)，所述電介質(zhì)設(shè)置在所述第一 電極與所述第二電極之間，所述電介質(zhì)的擊穿電壓至少是20kV/mm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的包裝物消毒機(jī)，其中，所述電介質(zhì)選自包含以下物質(zhì)的列表： 氮化硼、shapal、云母、以及例如合成氟金云母的合成云母。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的包裝物消毒機(jī)，其中，所述第一電極與所述第二 電極中的至少一個(gè)電極包括電感。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的包裝物消毒機(jī)，其中，所述第一電極與所述第二電極中的至 少一個(gè)電極包括線圈。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的包裝物消毒機(jī)，其中，設(shè)置所述至少一個(gè)電極以 提供導(dǎo)電通路，所述導(dǎo)電通路橫穿所述至少一個(gè)電極的延伸表面，以提供所述電感的至少 一部分。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的包裝物消毒機(jī)，其中，所述導(dǎo)電通路是盤旋狀的或螺旋狀的， 使得所述導(dǎo)電通路重復(fù)地橫穿所述延伸表面。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的包裝物消毒機(jī)，其中，所述電極是螺旋狀的，以提供所述導(dǎo)電 通路。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6、7或8所述的包裝物消毒機(jī)，其中，所述至少一個(gè)電極包括所述第一 電極，并且所述導(dǎo)電通路設(shè)置為橫穿所述間隙之間的所述工作面。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的包裝物消毒機(jī)，其中，所述第一電極與所述第二 電極中的至少一個(gè)電極包括平面型絕緣體以及導(dǎo)電材料，所述導(dǎo)電材料設(shè)置為提供沿著所 述絕緣體的表面的導(dǎo)電通路。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的包裝物消毒機(jī)，其中，所述導(dǎo)電材料設(shè)置在多個(gè)帶中。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的包裝物消毒機(jī)，其中，所述多個(gè)帶在交替端部處導(dǎo)電地耦 合。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的包裝物消毒機(jī)，其中，在交替端部處耦合的帶提供折疊的、 Z字形的或盤旋狀的導(dǎo)電通路。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11、12或13所述的包裝物消毒機(jī)，其中，所述導(dǎo)電材料包括一層，并 且這一層被蝕刻為提供所述帶。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的包裝物消毒機(jī)，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(jù)權(quán)利要求10-15中任一項(xiàng)所述的包裝物消毒機(jī)，其中，所述絕緣體的兩個(gè)主表 面包括導(dǎo)電材料帶。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的包裝物消毒機(jī)，其中，所述帶基本上彼此平行。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的包裝物消毒機(jī)，其中，設(shè)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(dǎo)電地耦合，以提供螺旋狀的導(dǎo)電通路，所述 導(dǎo)電通路橫穿所述絕緣體的交替表面，同時(shí)橫穿所述電極的延伸表面。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的包裝物消毒機(jī)，其中，在所述第二電極上的帶被設(shè)置使得 所述絕緣體的相反表面上的帶重疊。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18或19所述的包裝物消毒機(jī)，其中，在所述第一電極上的至少一些 帶被設(shè)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(jù)權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的包裝物消毒機(jī)，其中，由設(shè)置成扁平線圈的絕 緣導(dǎo)線提供所述電極中的至少一個(gè)電極。
22. 根據(jù)權(quán)利要求1-21中任一項(xiàng)所述的包裝物消毒機(jī)，其中，電感是可調(diào)節(jié)的。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的包裝物消毒機(jī)，其包括用于調(diào)節(jié)電感的多個(gè)導(dǎo)電元件。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的包裝物消毒機(jī)，其中，所述導(dǎo)電元件包括壓控阻抗。
25. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的包裝物消毒機(jī)，其包括與所述電極中的一個(gè) 電極串聯(lián)耦合的附加電容。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的包裝物消毒機(jī)，其中，所述電容與所述電極集成在單個(gè)單 元中。
27. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的包裝物消毒機(jī)，其中，所述第一電極與所述第 二電極中的一個(gè)電極接地。
28. -種消毒包裝制品的方法，所述方法包括：將包裝制品設(shè)置在鄰近根據(jù)前述權(quán)利 要求中的任一項(xiàng)所述的包裝物消毒機(jī)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(chǎn)生臭氧。
29. -種包裝物消毒機(jī)，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(yōu)先權(quán)日:2012年3月29日
【發(fā)明者】馬爾科姆·羅伯特·斯努鮑爾 申請人:奧唑尼卡有限公司