DE102010003284A1

DE102010003284A1 - Verfahren zur chemischen Aktivierung von Arbeitsgasen in abgeschlossenen Volumina

Info

Publication number: DE102010003284A1
Application number: DE201010003284
Authority: DE
Inventors: Ernst-Dieter Klinkenberg
Original assignee: DOT GmbH
Current assignee: DOT GmbH
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2010-03-25
Publication date: 2011-09-29
Also published as: WO2011116984A3; WO2011116984A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur chemischen Aktivierung von Arbeitsgasen in einem abgeschlossenen Volumen ohne weitere technische Vorrichtungen innerhalb dieses Volumens. Die Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen mit dem ein Arbeitsgas, das sich in einem abgeschlossenen Volumen befindet, durch äußere Energiezufuhr und ohne zusätzliche technische Vorrichtungen im Inneren des Volumens, chemisch aktiviert werden kann. Der Zweck der Aktivierung ist die chemische Wirkung der aktivierten Spezies des Arbeitsgases auf die inneren Oberflächen der volumenbegrenzenden Materialien und die chemische Wirkung auf die sich im Inneren des Volumens befindlichen Körper. Dabei sollen keine wesentlichen Beschränkungen für die volumenbegrenzenden Materialien bestehen. Die erfinderische Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine dielektrisch behinderte Entladung. Dabei wird die Quelle der dielektrischen Entladung so gestaltet, dass sich der Entladungsbereich ganz oder teilweise innerhalb des abgeschlossenen Volumens befindet, das dazu notwendige elektrische Feld aber außerhalb des abgeschlossenen Volumens erzeugt wird. Die felderzeugenden Elektroden haben dabei einen engen oberflächlichen äußeren Kontakt zu dem dielektrischen volumenbegrenzenden Material.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur chemischen Aktivierung von Arbeitsgasen in einem abgeschlossenen Volumen ohne weitere technische Vorrichtungen innerhalb dieses Volumens. Als Anwendung ist die Nutzung der chemischen Aktivität des Arbeitsgases zu betrachten. Unter der chemischen Aktivierung von Arbeitsgasen im Sinne dieser Patentanmeldung wird die chemische reaktive Veränderung von Gasen, z. B. die Bildung von Ozon in einem Gasgemisch, das Sauerstoff enthält, verstanden. Diese Veränderung kann dauerhaft oder auch vorübergehend sein. Die Aktivierung erfolgt dabei durch eine außerhalb des Volumens initiierte dielektrisch behinderte Entladung.
Stand der Technik
Die Behandlung von Gegenständen in abgeschlossenen Volumina ohne weitere technische Vorrichtungen innerhalb dieser Volumina besitzt einen großen technologischen Reiz, da der Status des Gegenstandes, unabhängig von den Bedingungen außerhalb des betrachteten Volumens, definiert beeinflusst werden kann.
Die Behandlung/Einwirkung kann insbesondere dadurch erfolgen, dass sich im geschlossenen Volumen befindliche Arbeitsgase aktiviert werden und deren, dann chemisch aktive Spezies, durch chemische Reaktionen die gewünschte Wirkung hervorrufen. Die Aktivierung des jeweiligen Arbeitsgases erfolgt durch Energiezufuhr in geeigneter Weise. Insbesondere durch Licht und elektrische Felder lässt sich Energie in geschlossene Volumina einbringen, wenn die physikalischen Eigenschaften der Begrenzungsmaterialien des Volumens dieses gestatten. Um durch Licht oder elektrische Felder eine Aktivierung eines Arbeitsgases zu erreichen, muss die Photoenergie oder die aus dem elektrischen Feld zu beziehende Energie so groß sein, dass die Aktivierungsenergie für den angestrebten Anregungszustand mindestens erreicht bzw. überschritten wird.
Technologische Bedeutung haben dabei plasmaphysikalische Verfahren gewonnen, die durch geschickte Nutzung von mittel- und hochfrequenten elektrischen Feldern eine elektrische Entladung in einem Arbeitsgas zur Anregung der chemisch aktiven Spezies des Arbeitsgases nutzen.
Die Steuerung einer derartigen Entladung ist unter anderem Gegenstand der Plasmaphysik und hat zu verschiedenen technisch physikalischen Ausführungen von derartigen Entladungen geführt. Insbesondere kann dabei unterschieden werden, ob die Entladung durch einen direkten Strom, einen induzierten Strom, einen Verschiebestrom oder durch einen Verschiebestrom an einer dielektrischen Barriere aufrecht erhalten wird.
Um eine Entladung durch einen direkten Strom aufrecht zu erhalten, ist in einem abgeschlossenen Volumen ein nach außen zur Energiequelle kontaktiertes Elektrodenpaar zu realisieren. Diese Schwierigkeit wird durch feldinduzierte Entladungen vermieden, wenn die Begrenzungen des abgeschlossenen Volumens einen Felddurchtritt ins Innere gestatten. Zum Beispiel können im Inneren einer umschließenden HF-Spule oder in einem teilweise umschließenden Kondensator Entladungen aufrechterhalten werden. Die Zündungsparameter derartiger Entladungen sind von den geometrischen Bedingungen, von den benutzen Arbeitsgasen und vom Arbeitsdruck der Gase abhängig. Technologisch sind Entladungen bei Normaldruck besonders interessant, weil die gewöhnlich benutzte aufwendige Vakuumtechnik nicht benötigt wird.
Entladungen bei Normaldruck können durch hochfrequente elektrische Felder, Mikrowellenfelder oder als Entladungen mit dielektrischer Barriere realisiert werden. Will man Aktivierungen von Arbeitsgasen im abgeschlossenen Volumen erreichen, so muss man die Felder in diesem Volumen realisieren.
Für hochfrequente Felder und Mikrowellenfelder sind dabei zwingend für den größten Teil der Oberfläche des zu begrenzenden Volumens dielektrische Materialien erforderlich, da leitende Materialien diese Felder abschirmen und Energie absorbieren. Die Energieabsorption durch leitende Materialien würde durch Erwärmung bis zur Selbstzerstörung der begrenzenden leitenden Materialien führen.
Die bekannte dielektrische Barrierenentladung müsste für den Fall der Anwendung auf eingeschlossenes Volumen derart modifiziert werden, dass sich die Elektroden direkt und unmittelbar dielektrischen Materialien gegenübersähen. Für diesen Fall könnte das weitere volumenbegrenzende Material auch aus leitenden Materialien bestehen.
So wird in WO 2009 040130 A1 das Plasma in einem abgeschlossenen Gefäß erzeugt, indem dieses Gefäß mit dem innen liegenden Material zwischen zwei Elektroden gebracht wird, an denen eine sehr hohe Spannung anliegt. Da der Elektrodenabstand relativ groß ist, muss das Plasma einerseits bei der Volumenentladung stabilisiert werden und andererseits muss versucht werden, die Zündspannung möglichst niedrig zu halten. Zu diesem Zweck wird ein Gasgemisch verwendet das zu mindestens 80% aus einem Inertgas besteht. Der Zweck der Plasmaeinwirkung in dieser Erfindung besteht in der Minderung von vermehrungsfähigen Keimen durch das in der Entladung entstehende Ozon bis zur Sterilisation.
Ein weiteres Verfahren zur Keimminderung mittels Ozon, das in einer Barriereentladung in einem abgeschlossenen Gefäß erzeugt wird, wird in DE 10 2004 049 783 B4 offenbart. Hier wird statt einer Volumen- eine Oberflächenentladung verwendet. Das verwendete System erfordert, dass eine Innenelektrode und zwei Außenelektroden fest mit der Hülle des abgeschlossenen Systems verbunden werden. Die innere Elektrode ist hierbei kapazitiv mit den beiden äußeren Elektroden gekoppelt. Durch Anlegen einer geeigneten Wechselspannung an den äußeren Elektroden wird an den Rändern der inneren Elektrode eine Spannung induziert, die eine Oberflächenentladung mit Ozonbildung auf der Innenseite zur Folge hat. Eine Keimminderung erfolgt durch Ozoneinwirkung im verschlossenen Gefäß, einer Verpackung. In vielen Fällen ist allerdings die Anwesenheit zusätzlicher Materialien wie der Innenelektrode im Innenraum eines Volumens unerwünscht.
EP 1455843 B1 offenbart ein Sterilisier-Verfahren in einer versiegelten Sterilisationskammer, bei dem der zu sterilisierende Artikel sich im Vakuum befindet und Wasser sowie ein Ozon enthaltendes Gas in die Kammer gegeben werden. Es sind ein oder mehrere Lüftungs-Zyklen notwendig, um das verbleibende Ozon und die Feuchtigkeit aus der Sterilisationskammer zu entfernen.
Die bereits bekannten Verfahren der chemischen Aktivierung von Arbeitsgasen in abgeschlossenen Volumina sind alle, wie aufgezeigt, mit schwerwiegenden technologischen Einschränkungen behaftet, die ihre praktische Anwendung stark behindern.
Ein Verfahren zur plasmatechnischen chemischen Aktivierung von Arbeitsgasen in abgeschlossenen Volumina, das technologisch beherrschbar ist und keine besonderen Anforderungen an die materialtechnische Ausführung der Begrenzung des abgeschlossenen Volumens stellt bzw. lediglich Anforderungen stellt, die sich gut in normalen technologischen Abläufen realisieren lassen, steht derzeit nicht zur Verfügung.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen mit dem ein Arbeitsgas, das sich in einem abgeschlossenen Volumen befindet, durch äußere Energiezufuhr und ohne zusätzliche technische Vorrichtungen im Inneren des Volumens, chemisch aktiviert werden kann. Der Zweck der Aktivierung ist die chemische Wirkung der aktivierten Spezies des Arbeitsgases auf die inneren Oberflächen der volumenbegrenzenden Materialien und die chemische Wirkung auf die sich im Inneren des Volumens befindlichen Körper. Dabei sollen keine wesentlichen Beschränkungen für die volumenbegrenzenden Materialien bestehen.
Die erfinderische Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine dielektrisch behinderte Entladung. Dabei wird die Quelle der dielektrischen Entladung (DBE-Quelle) so gestaltet, dass sich der Entladungsbereich ganz oder teilweise innerhalb des abgeschlossenen Volumens befindet (siehe Ausführungsbeispiele), das dazu notwendige elektrische Feld aber außerhalb des abgeschlossenen Volumens erzeugt wird. Die felderzeugenden Elektroden haben dabei einen engen oberflächlichen äußeren Kontakt zu dem dielektrischen volumenbegrenzenden Material. Dabei ist es nicht notwendig, dass die felderzeugenden Elektroden dauerhaft mit dem dieklektrischen Material verbunden sind.
Die DBE-Quelle kann dabei sehr kompakt gestaltet werden (Ausführungsbeispiele 1, 2 und 3), aber auch die Verwendung mehrerer Quellen oder von Quellen, die eine größere Fläche haben (Ausführungsbeispiel 4), ist möglich. Prinzipiell erlaubt die vorliegende erfinderische Lösung eine weitgehende Anpassung der Quelle an die konkreten Anforderungen der jeweiligen Aufgabe.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur chemischen Aktivierung eines Arbeitsgases in einem abgeschlossenen Volumen erfolgt ohne zusätzliche technische Vorrichtungen innerhalb des Volumens selbst. Der Abschluss des Volumens besteht wenigstens in einem abgeschlossenen Bereich aus einem festen oder flexiblen dielektrischen Material und eine Aktivierung eines Arbeitsgases erfolgt durch eine dielektrische Barriereentladung, die durch äußerlich erregte elektrische Felder, die durch das dielektrische Material hindurchgreifen, erzeugt wird.
Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet,

a) dass ein Volumenbereich mit einer randständigen Abdeckung versehen ist, die aus einem festen oder flexiblen dielektrischen Material besteht oder mit einem festen oder flexiblen dielektrischen Material innig verbunden ist, und sich innerhalb des Volumenbereichs ein Arbeitsgas befindet,
b) dass eine DBE-Quelle von außen derart auf die Abdeckung des Volumenbereichs aufgesetzt wird, dass sich diese im Aufsetzbereich eng an die DBE-Quelle anlegt, und
c) dass anschließend zwischen den Elektroden durch einen Plasmagenerator ein elektrisches Hochspannungswechselfeld erzeugt wird, welches sich durch die Abdeckung hindurch in das Innenvolumen des Volumenbereichs erstreckt und dort eine Plasmaentladung bewirkt.

Die felderzeugenden Elektroden der DBE-Quelle stehen in oberflächlichem äußerem direktem Kontakt zum volumenabgrenzendem dielektrischen Material. Dazu wird durch Öffnungen in den Elektroden der DBE-Quelle das dielektrische Begrenzungsmaterial des abgeschlossenen Volumens mittels Vakuum unmittelbar an die Elektroden angesaugt.
In einer weiteren Ausführungsform stehen felderzeugenden Elektroden der DBE-Quelle in indirektem, durch ein isolierendes Material vermittelten, Kontakt zur Außenseite des volumenabgrenzenden dielektrischen Materials. Dies kann ein nicht festes Medium wie ein Gel oder eine Flüssigkeit sein.
In einer weiteren Ausführungsform zum Verfahren sind die felderzeugenden Elektroden dauerhaft coplanar mit der Außenseite, bezüglich des abgeschlossenen Volumens, des dielektrischen Materials verbunden. Die Elektroden werden dann von außen in Bezug auf das abgeschlossene Volumen auf das dielektrische Material aufgeklebt, aufgedruckt, aufgedampft oder anderweitig aufgebracht.
In einer dritten Ausführungsform zum Verfahren sind die felderzeugenden Elektroden coplanar so in das dielektrische Material integriert, dass sie von außen bezüglich des abgeschlossenen Volumens kontaktiert werden können und keinen direkten Kontakt zum abgeschlossenen Volumen besitzen.
Der direkte oder indirekte Kontakt der DBE-Quelle hat zur Außenseite des volumenabgrenzenden dielektrischen Materials eine kühlende Funktion und die in der Entladung freiwerdende Wärme wird nach außen abgeführt.
Die Verpackungsschale und/oder die dielektrische Abdeckung sind gasundurchlässig.
Zur Zündung der dielektrischen Entladung wird eine sinuidale, gepulst bipolare oder gepulst unipolare Spannung mit variabler Form und variablem Tastverhältnis verwendet. Die Spannungsteuerung kann dazu verwendet werden, die erzeugte Menge des aktivierten Gases zu kontrollieren und/oder die in der Entladung umgesetzte Leistung und damit die Temperaturbelastung der Materialien, die dem Entladungsplasma ausgesetzt sind, zu kontrollieren.
Das Arbeitsgas enthält Sauerstoff und im Ergebnis der Aktivierung entsteht Ozon. Das Arbeitsgas ist für die Ozongeneration optimiert und weist einen hohen Sauerstoffanteil auf.
Die erfinderische Gestaltung der DBE-Quelle überwindet die Nachteile der aufgeführten Lösungen derart, dass keine zusätzlichen Elektroden oder andere technische Vorrichtungen ( DE 10 2004 049 783 B4 ) bzw. zusätzliche Gase ( WO 2009 040130 A1 ) innerhalb des Volumens erforderlich sind. Darüber hinaus gibt es kaum Einschränkungen für die Gestaltung der umschließenden Hülle des abgeschlossenen Volumens. Es ist lediglich erforderlich, dass ein geschlossener Bereich, der in der Größe mindestens der verwendeten BDE-Quelle entspricht, aus einem festen oder flexiblen dielektrischen Material besteht. Dadurch kann der Einsatzbereich der erfinderischen Lösung gegenüber anderen Verfahren erheblich erweitert werden, da z. B. auch die Verwendung von Metallgefäßen (u. a. Aluminiumfolienschalen) mit Polymerfolienabdeckung im Gegensatz zu WO 2009 040130 A1 möglich ist.
Die Zündung der Entladung kann erfindungsgemäß durch eine sinuidale, gepulst bipolare oder gepulst unipolare Spannung mit variabler Form und variablem Tastverhältnis erfolgen. Durch die Steuerung der Spannung kann die Menge des aktivierten Gases in einem bestimmten Zeitraum eingestellt werden um so eine möglichst große Menge aktivierter Gase in einem möglichst kurzen Zeitraum zu erhalten.
Demgegenüber kann die Spannungsteuerung auch dazu verwendet werden, die Temperaturbelastung des dielektrischen Materials zu verringern, wobei sich unter Umständen die Menge des aktivierten Gases je Zeiteinheit verringert.
Die Anwendung der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die Verwendung geschlossener Behälter beschränkt. Vielmehr können Gase in jedem abgeschlossenen Volumen, das mindestens in einem ausreichend großen Bereich von einem Dielektrikum begrenzt wird, aktiviert werden. Im Anwendungsbeispiel 5 wird das abgeschlossene Volumen durch einen Beutel erzeugt, der den zu behandelnden Gegenstand vollständig gasdicht umhüllt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens ist die geschlossene Abdeckung eines Teilbereiches der Oberfläche größerer Objekte und die anschließende Aktivierung des eingeschlossenen Gases (Ausführungsbeispiel 6). Die geometrischen Ausdehnungen von DBE-Quelle und deren Versorgung gestatten, dass die DBE-Quelle transportabel vor Ort eingesetzt werden kann, was insbesondere bei größeren oder ortsgebundenen Objekten von Vorteil ist.
Bei der vorteilhaften Anwendung der vorliegenden Erfindung soll sich der Entladungsbereich der dielektrischen Entladung möglichst vollständig innerhalb des abgeschlossen Volumens befinden. Insbesondere soll verhindert werden, dass zwischen der DBE-Quelle und dem dielektrischen Material ein Spalt entsteht.
Durch eine optimierte Gestaltung der DBE-Quelle wird erreicht, dass sich der dielektrische Bereich der Umhüllung spaltfrei an die Quelle anschmiegt (Ausführungsbeispiel 1) und so keine Entladungen an ungewünschter Stelle in Luft außerhalb des Arbeitsvolumens auftreten.
Durch Öffnungen in der DBE-Quelle, durch die ein Vakuum angelegt werden kann, wird diese Spaltfreiheit auch in Randbereichen zuverlässig erreicht (Ausführungsbeispiel 1).
Der luftfreie Kontakt zwischen DBE-Quelle und dem dielektrischen Bereich der Umhüllung kann auch durch eine dielektrische Flüssigkeit (z. B. ein Gel), die zwischen die DBE-Quelle und den dielektrischen Bereich gebracht wird, erreicht werden (Ausführungsbeispiel 2).
Die Handhabungssicherheit der DBE-Quelle kann verbessert werden, indem die Elektroden der DBE-Quelle mit einem geeigneten dielektrischen Material vollständig eingehüllt werden. Im Flächenkontaktbereich zum Arbeitsvolumen wird dieses Material so dünn gewählt, dass der Felddurchtritt ins Innere des Arbeitsvolumens trotz zusätzlichem, Elektroden einhüllenden, Dielektrikums gewährleistet ist. (Ausführungsbeispiel 3).
Diese Ausführungsform kann auch gewählt werden, wenn der direkte Kontakt des Elektrodenmaterials der DBE-Quelle mit dem dielektrischen Bereich der Umhüllung nicht erwünscht ist oder die vorliegende Erfindung in einer Umgebung angewandt wird, die für die Materialien der DBE-Quelle schädlich ist. Dabei kann die DBE-Quelle auch vollständig gekapselt sein.
Die Elektroden für die Felderzeugung können auch coplanar auf der Außenseite fest mit dem dielektrischen Material der umschließenden Hülle des Arbeitsvolumens verbunden sein. Die Verbindung muss so gestaltet sein, dass kein Luftspalt zwischen dem leitenden Material und dem Dielektrikum entsteht (Ausführungsbeispiel 5). Mögliche Verbindungsverfahren sind z. B. das Aufkleben von vorgefertigten Metallstrukturen, das Aufdrucken oder Aufdampfen von Elektrodenstrukturen. Weiterhin ist es notwendig, die Elektrodenstruktur auf der Außenseite ausreichend zu isolieren (5), um eine unerwünschte Entladung auf der Außenseite zu verhindern.
Die Integration der Elektroden kann auch in eine stabile, druckfeste dielektrische Hülle derart erfolgen, dass der geometrische Abstand zum Inneren des Arbeitsvolumens den Felddurchtritt gestattet (Ausführungsbeispiel 6).
Eine vorteilhafte Anwendung der vorliegenden Erfindung ist die barriereentladungsbegründete Erzeugung von Ozon, eines toxischen Sauerstoffradikals, innerhalb eines abgeschlossenen Volumens, das Luft oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch enthält. Dieses Ozon führt durch chemische Reaktion zur Minderung vermehrungsfähiger Keime auf der Oberfläche von Objekten, die sich innerhalb des abgeschlossenen Volumens befinden. Die Keimminderung kann bis zur Sterilisation geführt werden. Die Sterilisation durch Ozon ist ein anerkanntes Verfahren und auch Gegenstand der Offenbarungen WO 2009 040130 A1 , DE 10 2004 049 783 B4 und EP 1455843 B1 .
Aktivierte Gase können mit der Zeit durch Rekombinationsvorgänge ihre chemische Aktivität verlieren. Dies ist oft vorteilhaft, da so nach einer Abklingzeit das abgeschlossene Volumen gefahrlos geöffnet werden kann. So rekombiniert zum Beispiel das toxische Ozon nach einer charakteristischen Zeit von 30 min zu unschädlichem molekularem Sauerstoff. Kann man bei dem gewählten Arbeitsgas mit einem derartigen Abklingverhalten rechnen, so ist jedoch auch möglich, die Aktivierung beliebig oft erneut durchzuführen, um z. B. die Einwirkung durch chemische Reaktion zu wiederholen und ein einstellbares zeitliches Verhalten der Einwirkung zu erreichen. Eine praktische Anwendung könnte die Resterilisation nach längerer Lagerzeit sein.
Eine weitere vorteilhafte Anwendung hat das Ziel, unerwünschte Gase aus den abgeschlossenen Volumina zu entfernen. Mit Hilfe einer dielektrisch behinderten Entladung kann so Formaldehyd zu Wasser und Kohlendioxid abgebaut werden.
Im Ausführungsbeispiel 5 wird die vorliegende Erfindung zu diesem Zweck genutzt.
Um eine zu starke Erwärmung der DBE-Quelle und der Materialien im Entladungsbereich zu vermeiden, kann in die DBE-Quelle eine Kühlung integriert werden (Ausführungsbeispiel 1).
Kurze Beschreibung der Abbildungen
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Hierzu zeigen
1 Keimreduktion durch Ozoneinwirkung aus Entladung initiiert durch zentralsymmetrische DBE-Quelle,
2 Keimreduktion mit DBE-Quelle und Immersionsdielektrikum,
3 Keimreduktion mit vollisolierter DBE-Quelle,
4 Keimreduktion mit flächiger DBE-Quelle,
5 Formaldehydumwandlung mittels DBE realisiert durch aufgedruckte DBE-Elektrodenstruktur,
6 Behandlung eines gasdicht randständig abgedichteten flächigen Bereiches mit Ozon
Ausführung der Erfindung
Ausführungsbeispiel 1: Keimreduktion mit zentralsymmetrischer DBE-Quelle, vgl. Fig. 1
Das sich in der Verpackungsschale 1 befindliche Gut 3 soll durch die Einwirkung von Ozon eine Keimreduktion erfahren. Die Verpackungsschale ist durch eine dünne Folie mit dielektrischen Eigenschaften 2 über einen umlaufenden Verschlussbereich 14 gasdicht verschlossen. Dieser Verschlussbereich kann z. B. durch thermisches Schweißen hergestellt werden.
Das eingeschlossene Arbeitsgas kann Luft oder ein anderes sauerstoffhaltiges Gasgemisch sein. Die Ozongeneration erfolgt im Inneren der Verpackungsschale 16 mittels einer zentralsymmetrischen DBE-Quelle 13, die auf die Abdeckfolie 2 von außen derart aufgesetzt wird, dass sich die dielektrische Abdeckfolie im Aufsetzbereich eng an die DBE-Quelle anlegt. Das enge Anlegen wird durch ein Ansaugen der Abdeckfolie durch Öffnungen in den Elektroden mittels Vakuum 10, 12 unterstützt. Zwischen den Elektroden 15 der DBE-Quelle 13 wird durch einen Plasmagenerator 6 ein elektrisches Hochspannungswechselfeld 8 erzeugt, das sich aufgrund der konstruktiven Gestaltung der DBE-Quelle (Dielektrisch behinderte Koplanarentladungen, engl. coplanar barrier discharges) durch die Abdeckfolie hindurch in das Innenvolumen der Verpackungsschale erstreckt und dort im Inneren eine Plasmaentladung bewirkt. Im Entladungsvolumen werden Sauerstoffatome des Arbeitsgases derart angeregt, dass sich Ozonmoleküle 9 bilden, die in das Volumen der Verpackungsschale diffundieren, dort chemisch aktiv sind und dadurch ihre keimmindernde Wirkung entfalten. Die in der Entladung freiwerdende Wärmeenergie, die die Abdeckfolie schädigen könnte, wird durch eine aktive Kühlung 4, 11 abgeführt.
Ausführungsbeispiel 2: Keimreduktion mit DBE-Quelle und Immersionsdielektrikum, vgl. Fig. 2
Im Ausführungsbeispiel 1 wird der innige Kontakt zwischen den Elektroden der DBE-Quelle und der dielektrischen Abdeckfolie durch Formschlüssigkeit und Ansaugen der Abdeckfolie hergestellt. Das ist deshalb nötig, damit keine parasitäre Entladung in Luft außerhalb der Verpackung erfolgt. In diesem Ausführungsbeispiel wird der innige Kontakt zwischen Elektroden und Abdeckfolie dadurch hergestellt, dass eine dielektrische, isolierende Flüssigkeit 17 den Raum zwischen Elektroden 15 und Abdeckfolie 2 derart ausfüllt, dass keinerlei Luft verbleibt. Vorteilhaft werden dadurch geometrische Abweichungen von der idealen Form der DBE-Quelle ausgeglichen und parasitäre Entladungen vermieden. Die Ozongeneration erfolgt somit vollständig im Entladungsbereich im Inneren der Verpackung.
Ausführungsbeispiel 3: Keimreduktion mit vollisolierter DBE-Quelle, vgl. Fig. 3
Die in den Ausführungsbeispielen 1 und 2 aufgezeigten Verfahren zur Ozonerzeugung in geschlossenen Volumina gehen von DBE-Quellen aus, die mit prinzipiell freiliegenden Elektroden arbeiten. In diesem Ausführungsbeispiel wird gezeigt, dass das Verfahren ebenso anzuwenden ist, wenn man die Elektroden mit einer dünnen Isolatorschicht vollständig kapselt. Notwendige Bedingung ist, dass sich das elektrische Feld trotz zusätzlichem geometrisch dünnen Isolator 5 vor den Elektroden noch in die Verpackung hinein in notwendiger Stärke aufbauen kann. Um parasitäre verpackungsäußere Entladungen in Luft zu vermeiden, kann zusätzlich noch mit einem Immersiondielektrikum gearbeitet werden, vgl. Ausführungsbeispiel 2.
Ausführungsbeispiel 4: Keimreduktion mit flächiger DBE-Quelle, vgl. Fig. 4
Die Verpackungsrandbedingungen und die Aufgabenstellung sind analog zu Ausführungsbeispiel 1. Die Generation von Ozon erfolgt in diesem Fall aber durch eine flächige DBE-Quelle. die beteiligten Elektroden 15 sind als sich flächig durchdringender Kamm und Fächer ausgebildet. Die initiierte Plasmaentladung 8 erstreckt sich über den Bereich zwischen den Elektroden. In mehrfacher Anordnung können damit große Flächen der abdeckenden Folie erfasst werden, wodurch eine sehr intensive Ozongeneration im Inneren der Verpackung erfolgen kann. Mit dieser Anordnung können auch unregelmäßige Flächenformen zur Ozongeneration realisiert werden.
Ausführungsbeispiel 5: Formaldehydumwandlung mittels DB realisiert durch aufgedruckte DBE-Elektrodenstruktur, vgl. Fig. 5
In diesem Ausführungsbeispiel wird die Beseitigung von Formaldehyd durch Ozoneinwirkung beschrieben. Dazu wird ein Gegenstand 3, der Formaldehyd von seiner Oberfläche in die ihn umgebende Verpackungsluft emittiert, in einem dielektrischen Verpackungsbeutel 18, der gasdicht verschlossen ist, betrachtet.
Zur Erzeugung der dazu benötigten Entladung im Verpackungsinneren wird in diesem Beispiel keine externe DBE-Quelle benutzt, die verpackungsinnere Entladung wird statt dessen durch eine auf der Außenseite des Verpackungsbeutels aufgebrachte Elektrodenstruktur 15, die im Außenraum isoliert 5 und mit Spannung versorgt wird 6, initiiert.
Ausführungsbeispiel 6: Behandlung eines gasdicht randständig abgedichteten flächigen Bereiches mit Ozon, vgl. Fig. 6
In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Bereich 20 flächig an der Oberfläche unter Einwirkung von Ozon gestellt, das mit einer DBE-Quelle erzeugt wird, deren Elektroden coplanar vollständig so tief in einen Isolator eingelassen sind, dass das Feld 8, das durch sie erzeugt wird, im mit einer dielektrischen Folie randständig abgedichteten Volumenbereich (Abdichtungsbereich 19) wirksam ist. Das Ozon, das im Entladebereich aus dem sauerstoffhaltigen Arbeitsgas entsteht, diffundiert zum Flächenbereich 20 und reagiert oberflächlich derart gewünscht mit ihm, dass sich die Eigenschaften der sich in diesem Bereich befindlichen Stoffe chemisch verändern. Eine derartige Behandlung kann bei der Behandlung offener Wunden Anwendung finden und ist bei diskreter Ozonzufuhr diesbezüglich bekannt.
Bezugszeichenliste

1: Verpackungsschale, Verpackungsblister
2: dielektrische Abdeckung, flexibel oder fest
3: Gut in der Verpackungsschale, im Verpackungsblister
4: Kühlkanal in der Elektrode
5: isolierendes Material
6: Plasmagenerator
7: Arbeitsgas, z. B. Sauerstoff
8: elektrische Feldlinien der Plasmaentladung
9: Ozon-Molekül
10: Vakuumkanal
11: Wasserdurchflusskühlung
12: Vakuumpumpe
13: DBE-Quelle
14: Verschlussbereich Abdeckfolie
15: Elektrode
16: abgeschlossenes Volumen, Innenvolumen
17: dielektrische Flüssigkeit oder Gel
18: dielektrischer Verpackungsbeutel
19: Abdichtbereich
20: Behandlungsbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009040130 A1 [0010, 0028, 0028, 0041]
DE 102004049783 B4 [0011, 0028, 0041]
EP 1455843 B1 [0012, 0041]

Claims

Verfahren zur chemischen Aktivierung eines Arbeitsgases in einem abgeschlossenen Volumen, ohne zusätzliche technische Vorrichtungen innerhalb des Volumens selbst, wobei der Abschluss des Volumens wenigstens in einem abgeschlossenen Bereich aus einem festen oder flexiblen dielektrischen Material besteht und eine Aktivierung eines Arbeitsgases durch eine dielektrische Barriereentladung erfolgt, die durch äußerlich erregte elektrische Felder, die durch das dielektrische Material hindurchgreifen, erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, a. dass ein Volumenbereich mit einer randständigen Abdeckung (2) versehen ist, die aus einem festen oder flexiblen dielektrischen Material besteht oder mit einem festen oder flexiblen dielektrischen Material innig verbunden ist, und sich innerhalb des Volumenbereichs (16) ein Arbeitsgas (7) befindet, b. dass eine DBE-Quelle (13) von außen derart auf die Abdeckung (2) des Volumenbereichs aufgesetzt wird, dass sich diese im Aufsetzbereich eng an die DBE-Quelle (13) anlegt, und c. dass anschließend zwischen den Elektroden (15) durch einen Plasmagenerator (6) ein elektrisches Hochspannungswechselfeld (8) erzeugt wird, welches sich durch die Abdeckung (2) hindurch in das Innenvolumen des Volumenbereichs (16) erstreckt und dort eine Plasmaentladung (8) bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die felderzeugenden Elektroden (15) der DBE-Quelle (13) in oberflächlichem äußerem direktem Kontakt zum volumenabgrenzendem dielektrischen Material stehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass durch Öffnungen in den Elektroden (15) der DBE-Quelle (13) das dielektrische Begrenzungsmaterial des abgeschlossenen Volumens mittels Vakuum unmittelbar an die Elektroden angesaugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die felderzeugenden Elektroden (15) der DBE-Quelle (13) in indirektem, durch ein isolierendes Material (5) vermittelten, Kontakt zur Außenseite des volumenabgrenzenden dielektrischen Materials stehen.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass die felderzeugenden Elektroden (15) der DBE-Quelle (13) in indirektem, durch ein dielektrisches nicht festes Medium wie ein Gel oder eine Flüssigkeit (17) vermittelten, Kontakt zur Außenseite des volumenabgrenzenden dielektrischen Materials stehen.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, a. dass ein Volumenbereich mit einer randständigen Abdeckung (2) versehen ist, die aus einem festen oder flexiblen dielektrischen Material besteht oder mit einem festen oder flexiblen dielektrischen Material innig verbunden ist, und sich innerhalb des Volumenbereichs (16) ein Arbeitsgas (7) befindet, b. die felderzeugenden Elektroden (15) dauerhaft coplanar mit der Außenseite, bezüglich des abgeschlossenen Volumens (16), des dielektrischen Materials verbunden sind, und c. dass anschließend zwischen den Elektroden (15) durch einen Plasmagenerator (6) ein elektrisches Hochspannungswechselfeld (8) erzeugt wird, welches sich durch die Abdeckung (2) hindurch in das Innenvolumen des Volumenbereichs (16) erstreckt und dort eine Plasmaentladung (8) bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (15) von außen in Bezug auf das abgeschlossene Volumen (16) auf das dielektrische Material aufgeklebt, aufgedruckt, aufgedampft oder anderweitig aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, a. dass ein Volumenbereich mit einer randständigen Abdeckung (2) versehen ist, die aus einem festen oder flexiblen dielektrischen Material besteht oder mit einem festen oder flexiblen dielektrischen Material innig verbunden ist, und sich innerhalb des Volumenbereichs (16) ein Arbeitsgas (7) befindet, b. die felderzeugenden Elektroden (15) coplanar so in das dielektrische Material integriert sind, dass sie von außen bezüglich des abgeschlossenen Volumens (16) kontaktiert werden können und keinen direkten Kontakt zum abgeschlossenen Volumen besitzen, und c. dass anschließend zwischen den Elektroden (15) durch einen Plasmagenerator (6) ein elektrisches Hochspannungswechselfeld (8) erzeugt wird, welches sich durch die Abdeckung (2) hindurch in das Innenvolumen des Volumenbereichs (16) erstreckt und dort eine Plasmaentladung (8) bewirkt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass der direkte oder indirekte Kontakt der DBE-Quelle (13) zur Außenseite des volumenabgrenzenden dielektrischen Materials eine kühlende Funktion hat und die in der Entladung freiwerdende Wärme nach außen abgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Verpackungsschale (1) und/oder die dielektrische Abdeckung (2) gasundurchlässig sind.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass zur Zündung der dielektrischen Entladung (8) eine sinuidale, gepulst bipolare oder gepulst unipolare Spannung mit variabler Form und variablem Tastverhältnis verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsteuerung dazu verwendet wird, die erzeugte Menge des aktivierten Gases zu kontrollieren.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungssteuerung dazu verwendet wird, die in der Entladung umgesetzte Leistung und damit die Temperaturbelastung der Materialien, die dem Entladungsplasma (8) ausgesetzt sind, zu kontrollieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsgas (7) Sauerstoff enthält und im Ergebnis der Aktivierung Ozon (9) entsteht.
Verfahren nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsgas (7) für die Ozongeneration optimiert ist und einen hohen Sauerstoffanteil aufweist.