用于对包装制品杀菌的装置与方法
【专利摘要】用于消毒包装制品(110)的包装物消毒机，包括：工作面，其设置用于接收待消毒的包装制品；第一电极与第二电极(104、106)；其中第一电极与第二电极在工作面的一部分区域的后侧延伸，而第一电极布置在第二电极与工作面之间，并且第一电极包括多个间隙，其被设置使得在使用中，当将电压差施加在第一电极与第二电极之间时，关联的电场能够延伸穿过间隙到工作面之外，并进入所述待消毒的包装制品的包装物中，其中第一电极与第二电极包括邻近的延伸表面，所述延伸表面基本上位于沿工作面的方向的位置，工作面提供与第一电极和第二电极的邻近空间范围相关的电容(120)并且提供电感(118)，其中基于所述空间范围来选择电感，以修正电极设置的谐振频率。
【专利说明】用于对包装制品杀菌的装置与方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于对包装制品（如包装食品与饮料产品）杀菌的装置与方法。 本发明还涉及针对此目的产生等离子体的装置，以及相关的电气系统和电极构型以及它们 用于对包装制品消毒或杀菌的方法。
【背景技术】
[0002] 国际专利申请W02010/116191公开了一种产生等离子体的装置与方法，其中，设 置两个电极，使得当施加足够高的电压时，电极之间的电磁场产生冷等离子体，其能量高到 足以将空气中的氧气转化为臭氧以及其它基于活性氧的种类。同一发明人的进一步工作已 经提供了各种实用的电极构型。
[0003] 以这种方式设置的两个电极相当于电容器。在一些设置中，两个电极可以具有平 面型构型，并且可以一定间隔设置在这些平面型电极的两个主表面之间。一个（或两个） 电极中的间隙或孔洞使得电场从板间"漏出"。在合适的条件下，这种电场漏出可以用于产 生等离子体。尽管这种设置可具有一些优点，但是像这样的设置具有特别高的电容。
[0004] 在这种情况下,本发明人已经认识到,在以这种方式设置电极的情况下，电极的电 容可能会有损于往返电极的功率传输效率，尤其因为大量功率用来建立与维持板间的电 场。在实际商用系统中，功率消耗是重大的工艺成本。出于保护环境的目的也希望提高效 率。
【发明内容】
[0005] 本发明各方面与实例针对所附权利要求书中提出的这些问题。
[0006] 在目前情况下，本发明人发现使用（例如在无线电频率范围中的）高频交变电流 有利于驱动用于这些系统的电极，尽管这有些违反直觉，但是在电容性电极包括电感性负 载却是有利的。虽然，在高频电压存在的情况下，通常将会认为电路中电感的存在将是不利 的，但是本发明的实例能够对电极进行谐振操作或子谐振操作。本质上等离子体产生装置 的电极可以视为犹如它们是LCR谐振振荡电路的一部分，并且发现这在实际系统中具有操 作效益。
[0007] -方面，提供了一种用于消毒包装制品的包装物消毒机，包括：工作面，其设置用 于接收待消毒的包装制品；第一电极与第二电极，其中第一电极与第二电极在工作面的一 部分区域的后侧延伸，而第一电极布置在第二电极与工作面之间，并且第一电极包括多个 间隙，其被设置使得在使用中，当将电压差施加在第一电极与第二电极之间时，关联的电场 能够延伸穿过间隙到工作面之外，并延伸进入所述待消毒的包装制品的包装物中，其中第 一电极与第二电极包括邻近的延伸表面，延伸表面基本上位于沿着工作面的方向的位置， 工作面提供与第一电极和第二电极的邻近空间范围相关的电容，并提供电感，其中，电感基 于空间范围来选择，以修正电极设置的谐振频率。
[0008] 在一个实施例中，包装物消毒机包含设置在第一电极与第二电极之间的电介质， 电介质的击穿电压至少是20kV/mm，优选地至少是30kV/mm。在一些实施例中，电介质选自 包含以下各项的列表：氮化硼、shapal、云母、以及合成云母（例如合成氟金云母）。
[0009] 在一些实施例中，第一电极与第二电极中的至少一个包括电感，但是在其他实施 例中可提供单独的电感。在一些情况中，第一电极与第二电极种的至少一个包括线圈。术 语"线圈"不一定都应意味着是圆截面。通常会使用扁平的、基本为矩形的截面，尽管这是 有利的，但也是可选的。
[0010] 优选地，基于空间范围和/或电极的电容选择电感，以修正电极设置的谐振频率。 可选择这种修正以调谐电极阻抗，从而提高到电极的功率传输。螺旋状电极可提供电感。在 一些情况中，除了螺旋状电极本身以外或者作为螺旋状电极本身的替换，提供单独的电感。 虽然电极包括电感是有利的，但这不是必须的，并且可以在系统中的其它地方提供电感。
[0011] 在一些实施例中，设置了至少一个电极，以提供导电通路，导电通路横穿至少一个 电极的延伸表面，以提供所述电感的至少一部分。为此，导电通路可为Z字形的、盘旋状的 或螺旋状的，使得其反复地横穿延伸表面。术语Z字形的、盘旋状的以及螺旋状的旨在包括 通路反复折叠和/或反复弯曲回到其本身的任意设置。在一些实施例中，电极呈盘旋状形 式或螺旋状的，以提供所述导电通路。
[0012] 在一些实施例中，至少一个电极包括第一电极，并且导电通路设置为横穿所述间 隙之间的工作面。优选地，第一电极与第二电极中的至少一个电极包括平面型绝缘体和导 电材料，设置导电材料以提供沿所述绝缘体表面的导电通路，并且导电材料可以设置在多 个带中，例如，所述多个带在交替端部处导电地耦合。在交替端部处耦合可按如下方式进 行，所述方式提供折叠的、Z字形的或盘旋状的导电通路。
[0013] 在一些实施方案中，导电材料包含一层，并且这一层被蚀刻为以提供所述带。在一 些实施例中，该层放置沉积在或固定到所述绝缘体上。在一些实施例中，绝缘体的两个主表 面包括导电材料带。带可基本上彼此平行，并且可设置在绝缘体的相反表面上。当所述带 设置在所述绝缘体的相反表面上的情况下，其穿过所述绝缘体在所述带的交替端部处导电 地耦合，以提供螺旋状的导电通路，其横穿所述绝缘体的交替表面，同时横穿所述电极的延 伸表面。
[0014] 优选地，在第二电极上的带设置为使得绝缘体相反表面上的带重叠。
[0015] 优选地，在第一电极上的至少一些带设置为使得绝缘体相反表面上的带不重叠， 从而提供所述间隙。优选地，由设置成扁平线圈的绝缘导线提供至少一个电极。优选地，电 感是可调节的，并且包装物消毒机可包括用于调节电感的多个导电元件。例如，导电元件包 括压控阻抗（诸如晶体管）。
[0016] 包装物消毒机可包括与所述电极中的一个串联耦合的附加电容，并且优选地，电 容与电极集成在单个单元中。
[0017] 优选地，第二电极接地，并且绝缘体将第一电极覆盖。本发明的这个实例与其他实 例具有以下优点：提供了提高的安全性，这是因为不需要将第二电极（例如具有间隙的电 极）绝缘，并且发明人发现，这样能够使用比其他情况的绝缘电极所需电压更低的施加电 压在包装制品中建立等离子体（即非绝缘电极允许更低的等离子体冲击电压）。
[0018] 本发明的实施例包含消毒包装制品的方法，该方法包括在根据任一项前述权利要 求的包装物消毒机的工作面附近设置包装制品，以及将电压施加到所述电极，以在所述包 装物内产生臭氧。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 现将仅参照附图通过示例的方式对本发明实施例进行描述，在附图中：
[0020] 图1示出了用以在包装制品内产生臭氧的装置的一般示意图；
[0021] 图2示出了与连接到电源的电容头邻近的包装制品的示意图，其中的部件用简化 等效电路表不；
[0022] 图3示出了具有局部截面图插图的电极的平面图；
[0023] 图4示出了另一个电极的平面图；
[0024] 图5示出了通过包括诸如图3所示的电极与诸如图4所示的第二电极的电极头的 一部分的截面；
[0025] 图6出示了电极可能的改进；
[0026] 图7示出了通过电极头的一部分的截面；
[0027] 图8示出了通过电极头的一部分的另一截面；以及
[0028] 图9示出了通过电极头的一部分的另一截面。
【具体实施方式】
[0029] 总的来说，本发明的方法与装置一般地应用在与基本上类似于图1中所示的系统 中。
[0030] 在图1中，包装物消毒装置1000包含：电源100、阻抗匹配器102以及包括第一电 极104与第二电极106的电极头。传送机108将包装制品110运送电极产生的电场112中 的位置内。
[0031] 在操作中，传送机108将包装制品110运送到邻近电极头104、电极头106的位置。 电极头104、电极头106由具有高频AC电压的电源100U02供电，以在电极周围产生电场 112。电场穿透包装制品，并通过施加足够高的电压和/或频率可以在包装制品110内产生 冷等离子体。已经发现，若包装物含有氧气，则该等离子体会产生臭氧以及其它活性物质， 并且认为这样减少了包装物中食品腐败微生物的数目，因此增加了食品的贮存期限。
[0032] 图1仅仅是示意图，尽管依照相同的一般原则来设置，但实际系统将以各种不同 的方式来设置。例如，为了清楚起见，电极104、电极106并排示出，犹如它们是分离的物理 结构。但是这不是必须如此，并且（下面会解释）可将电极设置成一个在另一个的顶部和 /或通过相同物理结构的部分来提供、或者单独提供电极。
[0033] 如图1所示，优选地如下配置该装置使得在使用中将包装制品应用在电极头下 方。这样，包内的内容物由重力作用来保持远离电极（在包的底部），并且包内有邻近电极 的空气空间。这样具有的优点是：等离子体在空气间隙中形成，并且食物（或包装物内的其 他内容物）不受电场作用且不会干扰等离子体的产生。
[0034] 参考图2到图9,下面更详细地描述电极的结构与它们的电气构型。总之，电极是 缠绕成扁平构型的线圈，扁平构型将一定程度的电感引入到电极中。
[0035] 匹配阻抗102可包括降低电极头104、电极头106的表观电容的串联电容。电极 一般不彼此导电地耦合，所以电路实际上经由扁平线圈之间产生的电场来完成，犹如电极 头104、电极头106仅仅是大电容器。若线圈沿相同方向缠绕，例如沿右手方向缠绕，且然后 定位线圈使得它们彼此相对（线圈驱动在一个电极线圈104的左手侧以及另一个电极线圈 106的右手侧的连接），那么流过线圈组合的电流在整个电极线圈对104、106的任意位置总 遇到相同的阻抗。电极的电容性阻抗、电感性阻抗以及电阻性阻抗分布于所有电极上。
[0036] 电源的电压输出范围通常是6kV到18kV峰值，最大电流输出是15mA，以及工作频 率范围是IkHz到80kHz。电源的输出功率通常在每电极头（每对电极）10到500瓦的范围 内。电源的输出阻抗大约为30欧姆。也可使用其它类型的电源。为了产生冷等离子体，优 选地，在频率40KHz时使用至少7kV峰值（例如峰到峰）的电压，但是，这些数值仅仅是优 选的实例，并且不应当解释成限制性的。传送机可以是传送带或将包装制品带到电场112 的范围内的其他任何工具。在一些情况下，电极104、电极106可以是可移动的，并且所以可 以将它们移动到包装制品110的范围内。传送机是可选的，并且可以考虑便携式电极系统， 这将在以下更详细讨论。同样地，电源一般是辅助性的，并且，本发明的实例仅需要与电源 可耦合，即可以单独提供电源本身。
[0037] 图2示出图1中的物理构型的简化电气示意图，图1中的电极是扁平缠绕的线圈。 在此示意图中，图1的装置包括AC电源100、RQ的串联电阻114、C1法拉的串联电容116。 同样，在此示意图中，当装置在使用时，包装制品110含有电场112中的等离子体区域，并且 因此包括某个Cp法拉的等离子体电容124以及某个Lp亨利的等离子体电感126。也有与 等离子体相关联的某个RpQ的串联电阻128,以及由于等离子体充当虚拟电极而出现的某 个较小电容Cs。
[0038] 如图2所示，图1的第一扁平缠绕线圈电极104包含电感118。此电感为Ll亨利。 同样地，在图2中由电感120表示第二扁平缠绕线圈电极106的电感。此电感为L2亨利。 电极104、电极106 -起的设置使得电极之间产生C2法拉的电容，并且在图2中这由电容 120表示。这些电感与电容的典型值是Cl = 600nF、Ll = 2. 3yH、L2 = 1.8μΗ。
[0039] 电感118与电容120串联耦合，进而与电容122串联耦合。电感122串联耦合于 电源100与电容120之间。
[0040] 包装制品110中的等离子体电容124可以认为是与等离子体电感126并联耦合。 此并联LC电路串联耦合到与等离子体相关联的串联电阻128以及因等离子体充当虚拟电 极而出现的较小电容130。虚线132、虚线134表明在电极104、电极106以及包装制品110 之间存在电容性（与轻微电感性）耦合。
[0041] 该装置的总电容C(不包括包装制品贡献的电容，其出于第一近似的目的而可以 被忽略）是：
【权利要求】
1. 一种用于消毒包装制品的包装物消毒机，所述包装物消毒机包括： 工作面，其设置用于接收待消毒的包装制品； 第一电极与第二电极； 其中，所述第一电极与所述第二电极在所述工作面的一部分区域的后侧延伸，而所述 第一电极布置在所述第二电极与所述工作面之间，并且所述第一电极包括多个间隙，其被 设置使得在使用中，当将电压差施加在所述第一电极与所述第二电极之间时，关联的电场 能够延伸穿过所述间隙到所述工作面之外，并进入所述待消毒的包装制品的包装物内， 其中，所述第一电极与所述第二电极包括邻近的延伸表面，所述邻近的延伸表面基本 上位于沿着所述工作面的方向的位置，所述工作面提供与所述第一电极和所述第二电极的 邻近空间范围相关的电容并提供电感，其中，基于所述空间范围来选择所述电感，以修正电 极设置的谐振频率。
2. 根据权利要求1所述的包装物消毒机，其包括电介质，所述电介质设置在所述第一 电极与所述第二电极之间，所述电介质的击穿电压至少是20kV/mm。
3. 根据权利要求1所述的包装物消毒机，其中，所述电介质选自包含以下物质的列表： 氮化硼、shapal、云母、以及例如合成氟金云母的合成云母。
4. 根据前述权利要求中任一项所述的包装物消毒机，其中，所述第一电极与所述第二 电极中的至少一个电极包括电感。
5. 根据权利要求4所述的包装物消毒机，其中，所述第一电极与所述第二电极中的至 少一个电极包括线圈。
6. 根据前述权利要求中任一项所述的包装物消毒机，其中，设置所述至少一个电极以 提供导电通路，所述导电通路横穿所述至少一个电极的延伸表面，以提供所述电感的至少 一部分。
7. 根据权利要求6所述的包装物消毒机，其中，所述导电通路是盘旋状的或螺旋状的， 使得所述导电通路重复地横穿所述延伸表面。
8. 根据权利要求7所述的包装物消毒机，其中，所述电极是螺旋状的，以提供所述导电 通路。
9. 根据权利要求6、7或8所述的包装物消毒机，其中，所述至少一个电极包括所述第一 电极，并且所述导电通路设置为横穿所述间隙之间的所述工作面。
10. 根据前述权利要求中任一项所述的包装物消毒机，其中，所述第一电极与所述第二 电极中的至少一个电极包括平面型绝缘体以及导电材料，所述导电材料设置为提供沿着所 述绝缘体的表面的导电通路。
11. 根据权利要求10所述的包装物消毒机，其中，所述导电材料设置在多个带中。
12. 根据权利要求11所述的包装物消毒机，其中，所述多个带在交替端部处导电地耦 合。
13. 根据权利要求12所述的包装物消毒机，其中，在交替端部处耦合的带提供折叠的、 Z字形的或盘旋状的导电通路。
14. 根据权利要求11、12或13所述的包装物消毒机，其中，所述导电材料包括一层，并 且这一层被蚀刻为提供所述带。
15. 根据权利要求14所述的包装物消毒机，其中，这一层沉积在所述绝缘体上或固定 到所述绝缘体上。
16. 根据权利要求10-15中任一项所述的包装物消毒机，其中，所述绝缘体的两个主表 面包括导电材料带。
17. 根据权利要求16所述的包装物消毒机，其中，所述带基本上彼此平行。
18. 根据权利要求16或17所述的包装物消毒机，其中，设置在所述绝缘体相反表面上 的带穿过所述绝缘体在所述带的交替端部处导电地耦合，以提供螺旋状的导电通路，所述 导电通路横穿所述绝缘体的交替表面，同时横穿所述电极的延伸表面。
19. 根据权利要求18所述的包装物消毒机，其中，在所述第二电极上的带被设置使得 所述绝缘体的相反表面上的带重叠。
20. 根据权利要求18或19所述的包装物消毒机，其中，在所述第一电极上的至少一些 带被设置使得所述绝缘体的相反表面上的带不重叠，从而提供所述间隙。
21. 根据权利要求1-10中任一项所述的包装物消毒机，其中，由设置成扁平线圈的绝 缘导线提供所述电极中的至少一个电极。
22. 根据权利要求1-21中任一项所述的包装物消毒机，其中，电感是可调节的。
23. 根据权利要求22所述的包装物消毒机，其包括用于调节电感的多个导电元件。
24. 根据权利要求23所述的包装物消毒机，其中，所述导电元件包括压控阻抗。
25. 根据前述权利要求中的任一项所述的包装物消毒机，其包括与所述电极中的一个 电极串联耦合的附加电容。
26. 根据权利要求25所述的包装物消毒机，其中，所述电容与所述电极集成在单个单 元中。
27. 根据前述权利要求中的任一项所述的包装物消毒机，其中，所述第一电极与所述第 二电极中的一个电极接地。
28. -种消毒包装制品的方法，所述方法包括：将包装制品设置在邻近根据前述权利 要求中的任一项所述的包装物消毒机的工作面，以及将电压施加到所述电极，以在所述包 装物中产生臭氧。
29. -种包装物消毒机，其基本上如本文参照附图所描述的。
【文档编号】B65B55/02GK104349981SQ201380027843
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2013年3月27日 优先权日:2012年3月29日
【发明者】马尔科姆·罗伯特·斯努鲍尔 申请人:奥唑尼卡有限公司