专利名称：使用高强度和高功率超声波增强等离子体表面改性的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种物体的等离子体表面改性(modification)的方法。本发明还涉 及一种用于物体的等离子体表面改性的系统，以及一种使其表面通过等离子体表面改性进 行改性的物体。
背景技术：
等离子体是离子化气体。离子、电子、高能中性微粒、自由基以及等离子体中的紫 外线发射等有效物质可以用于材料表面改性，如表面活化/钝化、附着力提高、浸润性增 强、可印刷性改善、表面清洗、硬化、交联、固化、聚合物链分裂、着色、粗糙化、灰化、刻蚀、杀 菌、薄膜淀积、材料合成(表面处的微粒形成等)等。 主要根据使用的工艺气体，等离子体表面改性通常可以分为两类，具有相反的 效果。第一类主要侵蚀该表面，并且通常被称作"等离子体处理"、"等离子体表面改性"、 "等离子体侵蚀"(R Li等人著，Composites Pt. A 28A (1997) 73-86)，或"无聚合物形 成的(non-polymer-forming)等离子体，，(N Dilsiz J Adhesion Sci. Technol. 14(7)
(2000)975-987)。第二类通常被称作"等离子聚合"、"有聚合物形成的等离子体"(N Dilsiz J Adhesion Sci Technol. 14(7) (2000)975-987)或等离子体增强的化学气相淀积
(PECVD)。在下文中，"等离子体表面改性"意味着涵盖这两种类型，而"等离子体处理"用于 第一类型，"等离子聚合"用于第二类型。 如果使用的气体在其组成中具有高比例的碳和氢原子，双-或三-键，如甲烷、乙 烯、乙炔和乙醇，或如果它们是前体，如金属有机(有机金属)气体，则该等离子体常常导致 等离子聚合或PECVD。这里，金属有机气体是包含金属、尤其是其中金属原子具有与碳原子 的直接键合的化合物的气体。否则，该等离子体将具有侵蚀(等离子体处理)的趋势。
存在多种等离子体，包括直流等离子体、电容耦合的等离子体、脉冲等离子体、磁 控管等离子体、电子回旋共振等离子体、电感耦合等离子体、螺旋管(helicon)等离子体、 螺旋谐振器等离子体、微波等离子体以及等离子体喷射(例如，参见A Bogaerts等人著， Spectrochimica Pt. B 57(2002)609-658)。这些等离子体中许多都在低压力下工作，遭受 到它们需要昂贵的真空系统的缺点。此外，仅仅对于批处理或半批(semi-batch)处理较好 地开发了一些方法。为了克服这些缺点，可以使用大气压等离子体表面改性系统，这不仅避 免了对真空设备的需要，而且还允许大物体的表面改性和生产线连续表面改性(例如，参 见C Tendero等人著，Spectrochimica Pt. B 61(2006)2-30)。 在图1中示出了现有技术等离子体应用系统，在下面更详细地进行说明。图l图 示了可在大气压下使用的众所周知的所谓电介质阻挡放电(DBD)型的电容耦合等离子体 的例子。 等离子源的其它类型或变型包括，具有基本上位于两个电极之间的中间的单电介 质阻挡或仅仅覆盖所述电极中的一个的单电介质阻挡的电介质阻挡放电(DBD)。这种等离 子源一般也被称为体放电(VD)源，其中可以在电极表面和/或电介质表面上通常随机地分布的薄通道中进行微放电。其它DBD等离子源包括所谓的表面放电(SD)等离子源，一般包括电介质层上的若干表面电极和该电介质层的相反侧上的对电极。这种SD等离子源可以包括所谓的SPCP (表面放电引起的等离子体化学处理)放电元件或CDSD (共面扩散表面放电)元件。在SPCP中，电极被粘附在电介质上，而在CDSD中，电极被嵌入在电介质中。
其它类型的等离子源是，例如，所谓的等离子炬，诸如电弧等离子体炬、冷等离子体炬(例如，参见H Mortensen等人著，Jpn. J Appl. Phys. 45(10B) (2006)8506-8511)、大气压等离子体喷射(APPJ)、笔状炬(pencil-like torch)、阻挡炬(barrier torch)，以及微波炬(例如，参见C Tendero等人著，Spectrochimica Pt. B 61 (2006) 2-30)。再一种类型的等离子源是所谓的滑动电弧(例如，参见A Frid腿n等人著，J. Phys. D A卯l. Phys. 38 (2005)R1-R24)。 附加类型的等离子源是低压等离子体、晕圈放电(coronadischarge)(例如，参见A Bogaerts等人著，Spectrochimica Pt. B 57(2002)609-658)以及微等离子体(例如，参见V KaranassiosSpectrochimica Acta Pt. B 59(2003)909-928)。对于等离子体和大气压等离子体的更多细节，参见A Bogaerts等的Spectrochimica Pt. B57 (2002) 609-658，U Kogelschatz的Plasma Chem. Plasma Proc. 23(1) (2003) 1-46， C Tendero等人著，Spectrochimica Pt. B 61 (2006) 2-30和A Fridman等人著，J. Phys. D Appl. Phys. 38 (2005)Rl-R24。 Stanislav Pe旨ek禾口 Rudolf B6lek所著的两篇文章'Ozonege證ationby hollow-needle to plate electrical in an ultrasound field ' ， J.Phys. D :Appl.Phys. 37(2004) 1214-1220以及 'Ultrasound andairflow induced thermalinstability suppression of DC coronadischarge :an experimental study '，Plasma Sources Sci. Technol. 15 (2006) 52-58公开了对DC电晕放电的抑制，其中结合空心针-至-平板电极系统，使用超声波或与气流相结合的超声波，以激活用于臭氧产生的电晕放电。文章'Improvement of Charging Performance of Corona Charger inElectrophotography by Irradiating UltrasonicWave to Surrounding Region ofCorona Electrode' (Kwang-Seok Choi， Satoshi Nakamura and Yuji Murata著，Jpn.J. Appl. Phys. 44(5A) (2005)3248-3252)公开了在电子摄影术中使用超声波提高电晕充电器的充电速度，其中该超声波增加了涂覆的铝鼓的绝缘体层上的电荷密度，该铝鼓代替用于印刷的感光鼓。在专利申请CZ 295687中还公开了该文章中的至少一些发现。
上述三篇文章中公开的超声波发生器基于压电换能器。都没有提及发射的声波或超声波的特定或优选的声压级或其优点。 此外，前两篇文章提到，在产生的20. 3kHz超声波的频率下，在换能器的发射表面附近，通过超声布局呈现的声压分别约2和10kPa的量级。在第三篇文章中，超声发生器是28-kHz，50-mm-直径和80-mm-高度的夹心式(bolt-clamped)Langevin型压电换能器。最大输入功率是50W。这些值给出发射声压值约为2kPa的估计。2和10kPa的压力值对应于在2X10—5Pa的参考压力之上160和174dB的非常高的声压级。可以估计，上面说明的在上述频率处的声压对应于4. 4和20kW/m2的超声强度或在lpW/m2的参考强度之上156和163dB的声强级。 这表明在这三篇文章中超声波被高强度应用。
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但是，根据所有三篇文章提供的声功率实际上过低且过于局部化，而不允许在要使其表面被等离子体改性的物体的相对大的区域上的层流边界层(laminar boundarylayer)的均匀最小化和/或消除。 就专利说明书US 6，391，118可以概括出类似情况。其公开了一种使用电晕放电从设备中的物品表面去除微粒的方法。向该微粒提供电荷，以及随后向物品的表面上施加超声波或气流，同时施加电场，以用于从该表面驱离带电的固体微粒。超声波和/或气体的应用更便利了带电的固体微粒的去除。这里超声波发生器(振荡器)的种类包括压电振荡器、聚合物压电膜(membrane)、电致伸縮振荡器、Langevin振荡器(如上所述这仅仅是特殊类型的压电传感器)、磁致伸縮振荡器、电动式变压器和电容变压器。这种振荡器的使用提供低(不超过50W)和局部化的声功率。它过低和过于局部化，而不能允许在要使其表面被等离子体改性的物体的相对大的区域上层流边界层的均匀最小化和/或消除。此外，没有公开发射的声波或超声波的特定或优选声压级或其优点。此外，在该说明书中未解决等离子体表面改性。 另外，没有提及或论述待改性的物体周围的层流边界层。该边界层流层的存在阻碍过量的高能等离子体微粒(由此质量和能量转移)到物体的表面，由此降低了等离子体处理的效率。在要被等离子体改性的物体的相对大的区域上基本上均匀地消除或减小层流边界层是重要的。 专利申请US 2003/0165636公开了一种用于物体表面的大气压等离子体表面改性的工艺，其中激发待处理的表面，以使得它振动并波动起伏，由此激活等离子体的施加。用于表面激发的能量可以来自生成等离子体的工艺、来自外部源、或来自其组合。用于表面激发的能量可以来自与待处理物体接触的振动发生器，或者通过间接接触，来自发射声波例如超声波到待处理物体以使得它引起湍流等离子体。并没有公开声波或超声波的特定或优选的声压级或其优点。因此，提出了激发表面振动和波动起伏，或换句话说，在物体上产生引导的且表面的声波，以加强等离子体处理。相应地，公开了 待处理表面的振动可以是与待处理物体相关联的一个或几个本征频率及其谐波处激发的结果。因此，改性了的物体的特征尺寸范围(主要是其厚度)受所使用的声能量源的工作频率的严格限制，或者，所述频率严格由物体的尺寸确定。还公开了 表面振动也可以源于声波的外部发生器发射不是待处理的物体的本征频率的谐波的频率时的迫频(forcedfrequency)。这意味着表面声波的产生(主要是瑞利(Rayleigh)表面波)。 声功率转移到环境气体/等离子中的以下过程被提及 1.外部声波发生器一处理了的物体表面振动一气体分子(等离子体微粒)振动。
2.直接产生该处理了的表面物体振动，例如，通过直接声音接触一气体分子(等离子体微粒)振动。 这两个过程都需要声波，以跨过(overpass)固体/气体界面至少一次。但是，由于固体和气体的声阻抗中的四个数量级以上的差异，因此大多数产生的声功率不能发射(特
别是重发射)到气体气氛中，并留在固体中，最终转变为热能。因此，以这样的方式不能以将足以去除或减小在足够大的表面上的层流边界层的功率在空气中产生声音或超声。此外，没有提及或论述待改性的物体表面附近的层流边界层。该边界层流层的存在阻碍高能等离子体微粒到达(由此质量和能量转移)到物体表面，由此降低了等离子体处理的效率。因此，最重要的是，不是简单地用这样的方式"摇动"表面和引起具有未知的效率和空间分 布的不受控制的湍流等离子体，而是在待被等离子体改性的物体的较大区域上直接、有效 率地并且基本均匀地消除或减小边界层流层。 专利说明书CN 1560316公开了一种用于控制敷层孔隙率和提高敷层结合强度的 超声波等离子体喷射的工艺，其中超声激发源与等离子体喷射装置的喷射枪的阳极和阴极 并行连接，并且其中喷射粉末被加热，超声波作用在等离子体上并且同时作用在熔化的喷 射粉末上。并没有提及或论述待改性的物体表面上的边界层流层。该边界层流层的存在阻 碍高能等离子体微粒到达(由此质量和能量转移到)物体表面，由此降低了等离子体表面 改性的效率。 所产生的声功率相对较低(无论如何，低于100W)，这是因为施加到声波发射器的 功率实际上是100w，而即使对于最有效的气体喷射(gas-jet)超声波发射器，气体气氛中 的声音产生的效率也不会超过 30%，更不用说其它方法。这功率太低而不能有效地允许 在要使其表面被等离子体改性的物体的较大区域上的层流边界层的基本均匀的最小化和/ 或消除。 专利申请JP 11335869A公开了一种用于表面处理的工艺和装置，其中在等离子 体中产生气体形式的活化微粒，以及其中该气体形式的活化微粒经受超声并与表面接触。 因此公开了通过气体的表面处理，而不是通过等离子体的表面处理。 对于从等离子体到固体表面的质量和/或能量的传输或转移的主要阻碍是等离 子体和待处理物体之间的、附着于固体表面的层流边界层。即使当气体的运动是完全湍流 的时，也仍存在妨碍质量传递和/或能量转移的层流边界层(如结合图3a和3b更详细说 明的)。尽管为克服该问题提出了各种方法和设备类型，如通过用声波驱动等离子体，以及 用外部振动发生器使固体物体振动，这些方法尽管在一定程度上是有效的，但是在其产生 对层流边界层的有效最小化并同时覆盖足够大的区域以使该方法有效率的能力方面有先 天性的限制。 所提及的现有技术的公开都没有指明这样的声功率级，该声功率级足以有效地允 许在要使其表面通过等离子体有效率地改性的物体的较大区域上使层流边界层基本均匀 地最小化和/或消除。此外，涉及压电换能器或涉及传送能量的固体的其它换能器的现有 技术，仅仅以非常局部化的方式提供能量，例如，非常接近压电换能器(或其它固体换能 器)，因此不适于均匀的表面改性。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于等离子体表面改性的方法和装置，该方法和装置至 少在一定程度上减轻了现有技术的上述缺点。 本发明的另一 目的是使得能够增强固体物体或样品的等离子体表面改性。 本发明的另一目的是使得等离子体能够更有效率地浸没并影响固体物体或样品
的表面。 本发明的附加目的是加速物体的等离子体表面改性的工艺。 通过一种固体物体的等离子体表面改性的方法至少在一定程度上实现了这些目 的，所述方法包括通过至少一个等离子源产生等离子体，以及将该等离子体施加到固体物体的至少一部分表面，其中该方法还包括通过至少一个高强度和高功率气体喷射超声波发生器产生超声的高强度和高功率声波，所述超声的高强度和高功率声波被引导以向物体的所述表面传播，以使得对于所述表面的至少一部分，与所述固体物体接触的气体或气体混合物的层流边界层被去除或最小化，以及其中所产生的超声的高强度和高功率声波的声压级至少约为140dB，以及其中所产生的超声的高强度和高功率声波的声功率至少约为100W。 以此方式，由于气体喷射声波发生器能够发送足够高的声强和功率，获得了高声强和功率，这有效地允许在要使其表面通过等离子体改性的物体的较大区域上的基本上均匀的最小化和/或消除。 作为比较，换能器的发声表面区，例如，如前述现有技术文章中描述的换能器( ' Ozone generation by hollow-needle to plate electricalin an ultrasoundfield ' ; ' Ultrasound and air flow induced thermal instability suppressionof DC corona discharge :肌 experimentelstudy' ，d' Improvement of ChargingPerformance of CoronaCharger in Electrophotography by Irradiating UltrasonicWave toSurro皿ding Region of Corona Electrode')的发声表面区，是2X 10—3m2的量级，并且发射的声功率是10-40W。 通过高功率气体喷射发生器提供的声功率能够具有高得多的声功率输出，连同140或150至170dB的高声压和强度级(例如，参见Y. Y. Borisov著的Acousticgas-jet generators of Hartmann type, in L.D.Rozenberg (ed.)Sources ofHigh-Intensity Ultrasound (New York :Ple皿m :1969) part I. 以及Levavasseur(勒瓦瓦瑟尔)R.的Highpower generators of sound and ultrasound,美国专利册116-137，No.2755767(1956))。 已表明，约IOOW或以上的声功率增加了物体的等离子体表面改性。
高功率气体喷射发生器通常能够具有数百瓦的声功率(即，高于压电换能器声功率输出约一个数量级)，并且在20-30kHz的频率下，在距发生器孔口 lOcm处，一般具有160dB的SPL(声压级)。甚至可得到l-2kW的声功率。 对于压电(或其它固态声换能器)和气体喷射发生器的声功率输出中的这种显著的差异的主要物理原因是，压电换能器通过使与气体接触的固体振动(使用声音)且因此将该振动传递给气体而工作。由于固体和气体的声阻抗中的巨大差异(所谓的声阻抗不匹配)，大多数的所产生的声功率不能发射在环境气体中，而留在固体中。其被转变为热能，并导致换能器变热。 因此，在气体中不可能以此方式来以足以去除或减小在充分大的表面上的等离子体流的层流边界层的功率产生声音或超声。事实上，单个压电换能器仅仅在其发射表面附近提供高强度超声辐射，并且与其发射表面的面积相比较，辐射有限的表面面积。这是因为声波衍射，当换能器直径比得上声音波长时，声波衍射是显著的。实际上，对于空气中20-30kHz的超声频率，波长约为10-20mm，这具有实际的换能器直径的量级。在气体喷射超声发射器的情况下，振动介质不是固体，而是气体。很显然，在环境气体中没有任意阻抗失配，以及可以发射足够高的声功率。此外，在距气体喷射发射器孔口几十厘米处，超声辐射的强度和声压级保持非常高，同时声波前(acoustic wave front)是宽的(它有时仅仅球
11面波前)。以此方式，可以将大的表面暴露于高强度超声波(在距发生器的孔口约10cm处基本上为140dB或更高的声强和声压级)，并去除或减小大表面上的气体或等离子体的层流边界层，由此有效地增加等离子体表面改性。 以此方式，如下面特别是结合图3a和3b更详细说明的，超声的高强度和高功率声波去除或最小化固体物体周围的层流边界层。已表明，等离子体流的这种层流边界层还阻碍了固体物体的等离子体表面改性。 层流边界层的减薄或破坏使得等离子体微粒更有效地到达和影响待通过等离子体处理的固体物体的表面。 这将允许更快的等离子体表面改性处理。 由于该处理是昂贵的并需要大量能量，因此减少一个或多个物体的等离子体表面改性所需的时间降低了处理成本。 此外，物体经受等离子体表面改性的时间越短，破坏或降低该被处理物体的重要物理或化学特性的风险(例如局部过热和断裂、烧毁、热和电老化、裉色等)越小。
气体喷射发生器的使用还避免要被等离子体改性的物体表面使其表面显著振动。
在一些实施例中，在等离子体表面改性过程中，固体物体可以被液体或流体层覆盖(完全或部分地)。 在一个实施例中，所述产生的超声的高强度和高功率声波的声压级为-至少约150dB， -至少约160dB，-至少约170dB， -至少约180dB， -至少约190dB，或-至少约200dB。 其中，该声压级是在距发生器孔口 10cm处的。 在一个实施例中，所述产生的超声的高强度和高功率声波的声功率是-至少约200W，-至少约300W，-至少约400W，-约400W，-大于约400W，-至少约500W，-至少约lkW，或—选自约l-2kW。 应当理解，如果使用若干个声波发生器，甚至可以获得更高的功率。 在一个实施例中，该等离子源包括选自以下组中的至少一种源电介质阻挡放电
(DBD)等离子源、表面放电(SD)等离子源、体放电(VD)等离子源、等离子炬源、电弧等离子
炬、滑动电弧等离子炬、冷等离子炬、笔状炬、直流等离子源、电容耦合等离子源、脉冲等离
子源、磁控管等离子源、电子回旋共振等离子源、感应耦合等离子源、螺旋管等离子源、螺旋
共振器等离子源、微波等离子源、大气压等离子体喷射(APPJ)源、阻挡炬、电弧微波炬、电晕放电等离子源、微等离子源、低压等离子源、以及高压等离子源。 在一个实施例中，在至少一个超声的高强度和高功率气体喷射声波发生器的入口 处的工作气体压力在大约1. 9和大约5bar之间。
在一个实施例中，在大气压下产生等离子体。 在一个实施例中，等离子源包括至少一个电极，以及其中所述至少一个电极中的 一个电极是网格型电极。 这允许气体/能量以非常简单和有效的方式通过'上'电极。 在一个实施例中，所产生的超声的高强度和高功率声波朝向膜传播，以使得被所 述至少一个超声的高强度和高功率声波发生器使用的任意气体不与被所述等离子源用来 产生所述等离子体的一种或多种气体混合。 在一个实施例中，使用气态介质产生该超声的高强度和高功率声波，其中该声波 被指引向该物体的所述表面，以及其中在离开所述至少一个超声的高强度和高功率气体喷 射声波发生器之后，所述气态介质被引导远离该物体的所述表面。 在一个实施例中，所产生的超声的高强度和高功率声波在空间上与从发生器孔口
外流的工作气体不重叠。此外，由于所产生的超声的高强度和高功率声波被指引向该处理
表面，并且从超声的高强度和高功率声波发生器流出的气体在空间上不重叠，所述流出的
工作气体与所述等离子源用来产生所述等离子体的一种或多种气体不混合。 在这些方法中，使得能够对用于等离子体产生工艺的气体环境进行控制。 在一个实施例中，基本上在所述超声波朝向所述物体表面传播的方向上，将用于
产生等离子体的气体混合物提供给等离子源的至少一个电极。 在一个实施例中，该至少一个超声的高强度和高功率气体喷射声波发生器选自以 下的组-哈特曼(Hartmann)型气体喷射发生器，
-勒瓦瓦瑟尔型气体喷射发生器， _这样的发生器，其包括外部件和限定通道的内部件、开口、以及在内部件中设置 的空腔，所述超声的高强度和高功率气体喷射声波发生器适合于接收加压气体，并将该加 压气体传送到所述开口，从所述开口，该加压气体被以射流(in a jet)朝向空腔排放，
-上述任意类型的发生器，包括任意类型的声波集中器(concentrator)或反射 器。 在一个实施例中，该固体物体是食物，该方法还包括施加蒸汽到该食物，以使得该
食物经受蒸汽和等离子体，引起食物的杀菌处理。 在一个实施例中，产生超声的高强度和高功率声波包括-通过第一声波发生器，利用气态介质，产生高强度和高功率声波，其中在离开第
一声波发生器之后，该气态介质具有第一主方向，该第一主方向不同于由第一声波发生器
产生的高强度和高功率声波的第二主方向，-通过第二声波发生器产生高强度和高功率声波，-其中，第一和第二声波发生器彼此相关设置，以使得所产生的高强度声波中的至 少一部分被指引向离开所述第一声波发生器之后的气态介质的至少一部分，所述所产生的 高强度声波中的至少一部分由所述第二声波发生器产生。
在一个实施例中，固体物体的等离子体表面改性选自以下组-表面活化和/或钝化，_附着力提高，-浸润性增强，-可印刷性提高，-表面清洗，_硬化，_交联，-固化，-聚合物链分裂，_着色，-粗糙化，_灰化，-刻蚀，-杀菌，-薄膜淀积，-材料合成，以及-表面处的微粒形成。 本发明还涉及对应于本发明的方法的系统。更具体地说，本发明涉及一种用于固体物体的等离子体表面改性的系统，包括至少一个等离子源，其适合于产生施加到固体物体的至少部分表面的等离子体，其中该系统还包括至少一个超声的高强度和高功率气体喷射声波发生器，其适合于产生超声的高强度和高功率声波，该声波引导朝向固体物体的所述表面传播，以使得对于所述表面的至少一部分，与所述固体物体接触的气体或气体混合物的层流边界层被去除或最小化，以及其中所产生的超声的高强度和高功率声波的声压级至少约为140dB，以及其中所产生的超声的高强度和高功率声波的声功率至少约为IOOW。 本发明还涉及一种具有被等离子体处理的表面的固体物体，其中该固体物体已经被用根据本发明的任意实施例的方法处理了。 在下面的权利要求中限定了以及在下面详细描述了该系统的有益实施例。该系统的实施例与方法的实施例对应，并且出于相同的原因有相同的优点。
将参考附图中所示的说明性实施例阐明本发明的这些及其它方面并使其明了，其中 图1示意地图示了现有技术等离子体表面改性设备； 图2示意地图示了等离子体表面改性设备的框图； 图3a示意地图示了没有施加超声的高强度和高功率声波的物体表面上的(湍)流； 图3b示意地图示了物体表面上的流，其中示出了向围绕或接触物体表面的空气/
14气体或在该空气/气体施加超声的高强度和高功率声波的效果；
图4示意地图示了增强等离子体表面改性设备的一个实施例；
图5示意地图示了增强等离子体表面改性设备的替代实施例；
图6示意地图示了增强等离子体表面改性设备的替代实施例； 图7示意地图示了增强等离子体表面改性设备的实施例，其中等离子源是表面放电(SD)等离子源; 图8示意地图示了增强等离子体表面改性设备的实施例，其中等离子源是炬等离子源，例如，滑动电弧等离子源； 图9示意地图示了高强度和高功率气体喷射声波发生器的实施例，其中从环形喷嘴出来并在蘑菇形的共振器中制动的汇聚的超声气体具有盘形(即所谓的盘式喷射哈特曼超声发生器)； 图10是沿图9中的高强度和高功率声波发生器(101)的直径的剖面图，更清楚地图示了开口 (302)、气体通道(303)以及空腔(304)的形状； 图ll示意地图示了长形体形式的高强度和高功率声波发生器的另一实施例；以及 图12示意地图示了包括两个发生器的高强度和高功率声波发生器的实施例。
在整个图中，相同参考数字表示类似的或相应的特征。
具体实施例方式
图1示意地图示了现有技术等离子体表面改性设备。示出了等离子体发生器或等离子源的例子，即，能产生众所周知的即使在大气压下也可用的所谓电介质阻挡放电(DBD)型的等离子体(之后仅仅表示为等离子源)的任意装置或方法。示出了许多种气体(111)，如提供给气体混合单元(110)的He、 Ar、 02、 C02和NH3，气体混合单元将气体混合成用于给定用途或应用的合适组合物。用于等离子体的所选气体应该基于表面改性的类型来选择，且可以是通常用于已知的等离子体表面改性等的任意气体。具体且典型的例子包括He、Ar、Ne、Xe、空气、N2、02、H20、C02、诸如氟里昂(Freon)气的卤素化合物气体(CF4、CHF3、C3F6、C4F8等)、halon(哈龙)气体、NH3、 NF3、 SF6、有机化合物气体(CH4、 C2H6、 C2H4、 C2H2、 C6H6、 C2H5OH等)、NO"S(^、硅烷等以及选自它们的气体混合物。为了使等离子体稳定，可以用He、Ar稀释该气体，参见例如欧洲专利EP0508833B1 。还示出相隔放电间隙放置的两个电极(103)，其中至少一个电极(103)在面对另
一电极的电极侧上邻接或覆盖有绝缘或电介质材料(105)，以便避免产生电弧。在图中，
两个电极(103)附连或覆盖有电介质材料(105)。 一个电极(103)被连接到适合的电源
(114)，该电源在电极(103)之间提供AC高电压，例如0. lkHz-500kHz。 此外，示出了连接到电源(114)的高压探针(113)和连接到高压探针(113)的示
波器。该高压探针用于监视施加的电压，但是与表面改性不相关且不影响表面改性。 该气体混合物被从气体_混合单元(110)提供到两个电极(103)之间的放电区，
结果，当电压被施加到电极(103)时产生等离子体(104)。样品或物体(100)位于用于表面
改性、处理、加工等的等离子体(104)中(之后仅仅表示为表面改性)。 表面改性的典型例子是，例如，表面清洗、刻蚀、灰化、表面活化/钝化、附着力提高、亲水和疏水性表面的制备、杀菌、薄膜淀积、生物相容性。 如下面所示和说明的，物体(100)的表面改性可以被增强。 图2示意地图示了等离子体表面改性工艺/设备的框图。图示了产生或提供等离 子体(104)的一个或多个等离子源(106)，以及一个或多个固体物体(IOO)，其位于等离子 体(104)中或与等离子体(104)接触，由此等离子体(104)将对所述一个或多个固体物体 (100)的表面进行处理或改性。 还图示了产生高强度和高功率超声(102)的一个或多个超声的高强度和高功率 声波发生器(101)。根据本发明，所产生的超声(102)被施加到一个或多个固体物体(100) 的至少一部分表面。 本申请人之一的专利申请WO 2006/015604A1公开了一种用于增强涉及气体和固
体物体的工艺的方法和装置，其中超声波被用来去除边界层流层或使其最小化。但没有公
开该工艺是等离子体表面改性、等离子体相关工艺、或物体的表面处理。 但是，意外地发现高强度和高功率声波的超声波的施加还对增强物体的等离子体
表面改性有作用。 通过施加高强度和高功率超声波到在经受等离子体表面改性的一个或多个固体 物体，该物体或这些物体的等离子体表面改性被大大地增强，如下面将结合图3a和3b说明 的。 超声的高强度和高功率声波发生器(101)的入口处的工作气压可以被优化，以使 得可以产生高声压。它优选在19和5bar之间，或在2. 5至4bar之间，以及一般将取决于 所使用的发生器类型。高功率气体喷射发生器的出口处的气压低于入口处的气压，以及实 际上可以近乎等于用于表面改性的气压。 为了在正常条件下操作，气体喷射高强度和高功率超声发生器的操作需要的气压 至少超过1. 9bar，并且取决于发生器类型，提供具有在距发生器孔口 10cm处超过140dB的 SPL的超声的稳定产生的优化操作所需的压力是2. 5至4bar。 所述一个或多个等离子源(106)可以是适合于至少一个物体的表面改性的任意 等离子源，例如如先前和下面说明的那些等离子源和/或组合，或者例如在产生等离子体 中如先前说明的使用一个或多个气体的这些等离子源。等离子源(106)可以在任意现有的 等离子源中选择(低压和高压等离子体两者)，并且更具体地，可以是例如直流等离子体、 电容耦合等离子体、脉冲等离子体、磁控管等离子体、电子回旋共振等离子体、感应耦合等 离子体、螺旋管等离子体、螺旋共振器等离子体、微波等离子体、DBD、SD、等离子炬如电弧等 离子炬、冷等离子炬、APPJ、笔状炬、阻挡炬、电弧等离子炬、微波炬、滑动弧、电晕放电和微 等离子体。 用于表面改性的气压优选高于0.4bar，并且可以约为大气压或更高，以便可以有 效地传递声能。另一方面，在较低压力下容易产生等离子体。因此，用于表面改性的气压优 选超过O. 4bar且小于高功率气体喷射发生器的入口处的压力。更优选的，等离子源可以是 DBD、 SD、等离子炬如电弧等离子炬、冷等离子炬、APPJ、笔状炬、阻挡炬、微波炬、滑动电弧、 电晕放电、以及微等离子体，这些等离子源可以在上述压力下工作。 —个或多个超声的高强度和高功率声波发生器(101)是气体喷射声波发生器，并 且可以是例如一个或多个哈特曼型气体喷射发生器、一个或多个勒瓦瓦瑟尔型气体喷射发
16生器等，或其组合，并如下所述和如图9-12所示的。 气体喷射声波发生器的使用在声功率、高强度、声阻抗等方面具有如先前描述的优点。 如果不止一个超声的且高强度和高功率声波发生器被使用，那么它们不必具有相同类型，尽管它们可以是相同类型。 所述表面改性可以是例如表面清洗、刻蚀、灰化、表面活化/钝化、附着力提高、湿润性增强、可印刷性改进、硬化、交联、固化、聚合物链分裂、着色、粗糙化、亲水和疏水性表面的制备、杀菌、薄膜淀积、生物相容性、以及材料合成(在表面处的微粒形成等)等。
在一个实施例中，要其表面被改性的物体是食物，并且该食品经受蒸汽和等离子体以便处理该食物。该处理将产生化学自由基，并且以非常有效的方法对食物进行杀菌。
在一些实施例中，在等离子体表面改性过程中，可以用液体或流体层(完全地或部分地)覆盖固体物体(100)(例如金属板)。在表面改性过程中该液体或流体可以被减少或移走。 图3a示意地图示了没有施加超声的高强度和高功率声波的物体表面上的(湍)流。 示出了使其表面(314)(至少一部分)通过等离子体改性的固体物体(100)的表面(314)，其中气体或气体混合物(500)围绕或接触该表面(314)，由此阻止等离子体有效地接近并影响该表面。 可以通过传导以及通过气体从一个区域到另一区域的移动，来通过气体传递热能。与气体移动相关的该热转移过程通常被称为对流。当气体运动仅仅是由温差建立的浮力所引起的时，该过程通常被称为自然或自由对流；但是如果气体运动由其它机理引起，那么通常被称为受迫对流。根据受迫对流的条件，在表面(314)附近将存在层流边界层(311)。该层的厚度是该流的雷诺兹数(Reynolds皿mber)的递减函数，使得在高流速下，层流边界层(311)的厚度将减小。当流变得湍急时，该层被分为湍流边界层(312)和层流边界层(313)。对于几乎所有实际上发生的气流，除了其中流动方式(flow regime)是层流的覆盖表面(314)的层流边界层(313)之外，在整个流体积中流动方式将是湍流。考虑层流边界层(313)中的气体分子或微粒(315)，速度(316)将基本上平行于表面(314)，并等于层流边界层(313)的速度。由于层流的特性，跨层流边界层的热传递将通过传导或辐射。
此外，跨层流边界层的质量传送将仅通过扩散。层流边界层(313)的存在不提供优化或有效增加的质量传送。跨界面层的任意质量传送都将仅通过扩散，因此常常是总的质量传送中的最终限制因素。 从气体到固体表面的能量和/或质量的转移或传送的主要阻碍是粘附到固体表面的气体的界面层。即使当气体的运动是完全湍流时，层流边界层仍存在，其妨碍了质量传送和/或热转移。尽管为克服该问题，提出了各种方法和设备类型，如通过用声波驱动气体和用外部振动发生器使固体物体(100)振动，这些方法尽管在一定程度上是有效的，但是在产生对层流边界层的有效最小化并同时覆盖足够大区域以使该方法有效的能力方面天生受到限制。 图3b示意地图示了物体表面上的流，其中示出了向围绕或接触物体表面的空气/气体(500)或在该空气/气体中施加高强度和高功率超声波的效果。
17
更具体地，图3b图示了当通过气体喷射声波发生器(未示出；例如参见其它图中的101)对固体物体(100)的表面(314)施加高强度和高功率超声波时的情形。再次考虑层流层中的气体分子/微粒(315);在施加超声之前，速度(316)将基本上平行于表面(314)且等于层流层的速度。在图3b中到表面(314)的发射声场的方向上，分子(315)的振荡速度已被显著地增加，如箭头(317)所示。作为示例，可以实现v二4.5m/sec的最大速度和+/-3211111的位移，这里频率是{ = 22kHz以及声压级=160dB。由于分子沿该表面跟随层流空气流，因此图3a中的相应(垂直)位移基本上是零。结果，通过使层流边界层最小化来增加传导，声波将建立从表面到周围的气体/空气(500)的受迫热流和/或质量传送。在一个实施例中，声压级约为140dB或更大。此外，该声压级可以在约140-160dB的范围内选择。声压级可以约超过约150dB，超过约160dB，超过约170dB，超过约180dB，超过约190dB或超过约200dB。 层流边界层的减薄或破坏具有极大增加从表面(314)到周围的或接触的气体
(500)的热转移和质量传送的效果，这是因为层流边界层的存在或减小的尺寸将不再阻碍
到在经受等离子体表面改性的固体物体(100)的表面的热转移和/或质量传送，S卩，该等离
子体将更有效地影响物体的表面。 结合下面的附图描述各个实施例。 图4示意地图示了增强等离子体表面改性设备的一个实施例。 示出了产生高强度和高功率超声波(102)的至少一个超声的高强度和高功率声
波气体喷射发生器(101)，该超声波朝着将经受等离子体表面改性的至少一个物体(100)
的表面传播并到达该表面。 要使其表面性能改变的所述至少一个物体(100)被浸于等离子体(104)中或受等离子体(104)的影响，所述等离子体(104)由等离子源(106)利用所示气流、所示电极(103 ;103')以及绝缘体或电介质材料(105)(例如，如结合图l所述的)产生。特别示出的等离子源(106)是DBD类型的等离子源，但是也可以是另一类型的等离子源。
所述至少一个物体(100)与气体或气体混合物(500)接触或被该气体或气体混合物(500)围绕，当不通过气体喷射发生器(101)施加超声的高强度和高功率声波(102)时，即使当湍流时，该气体或气体混合物也将包括层流边界层或未被减小的层流边界层，如图3a所示并结合图3a解释的。 绝缘体或电介质材料(105)可以例如包括八1203，或通常具有介电性质的材料，或任意种类的绝缘体，如陶瓷、聚合物和玻璃。陶瓷和玻璃更耐等离子体，这是由于它们具有比较高的耐热性。由于它们一般具有高的介电常数且因此可以在较低的交流电压下产生并维持等离子体，所以它们常常是优选的。 此外示出了喇叭(horn)或类似物(402)或声音引导或导向装置，其保证声强和功率被包含并朝向等离子体/物体聚集。 在一个实施例中，在高强度和高功率超声波发生器(102)和等离子体之间设置膜(401)或类似物。这使得能够控制等离子体产生工艺的气体环境，以使得在产生等离子体中仅仅使用所接收的气流。这对于气体驱动的发生器(102)可能是有用的，以使得来自这种发生器的气体不干扰用于等离子体产生的气体混合物。其它实施例可以排除膜(401)。膜(401)优选为对于超声相对透明且相对薄。可以对膜(401)的厚度、尺寸和/或形状以及对其施加的张力进行优化，以用于减小超声的损耗。 在一些实施例中，该膜可以被省去，尽管发生用于产生高强度和高功率超声波的 气态介质和用于产生等离子体的气体的混合不是优选的。这可以通过高强度和高功率声波 发生器来实现，其中所产生的声波通常在与离开声波发生器之后的气态介质的总的方向不 同的另一方向上传播。 在图12中，示出了所产生的声波的总的方向与离开发生器之后气态介质的总的 方向成一定角度的两个这种发生器。 发生器可以被设计为使得两个方向大约是相反的。例如，以所谓的高频方式辐射 超声波的茎喷射式(stem-jet)哈特曼发生器允许这种超声场和出向气流的"自然"空间 隔离(参见，例如Y. Y Borisov， Acoustic gas—jet generators of Hartmann type, in L D. Pozenberg(ed.) Sources of High-Intensity Ultrasound (New York :Ple皿m :1969) part 1)。在避免使用膜方面，这种发生器可能是非常有用的，因为气态介质可以被引导远 离等离子体和将进行等离子体表面改性的物体。以此方式，用于产生声波的气体将不影响 等离子气体。应当理解，即使在这种布置中的，膜仍然可能是有用的(尽管它可以具有不同 的设计)，由于它可以包容用于产生被包容的等离子体的气体，因此它们不扩散到周围环境 中，由于其中的一些具有相当大的成本，因此这可能是有用的。 可以使用任何种类的膜，只要既没有显著的超声损失又没有显著的气体泄漏。只 要它们可以形成薄膜，它们的材料可以选自任何热塑性和热固性聚合物，如聚酯、聚对苯二 甲酸乙二醇酯、聚烯烃(低密度(LD)聚乙烯(PE)、高密度(HD)PE、超高(ultrahigh)密度 PE、超高分子量PE、聚丙烯、聚(氯乙烯)、聚(偏二氯乙烯)、聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚酰胺、 聚(乙烯乙烯醚)、聚异丁烯、聚碳酸脂、聚苯乙烯、聚氨酯、聚(醋酸乙烯酯)、聚丙烯腈、自 然的和合成的橡胶、聚合物合金、共聚物、及它们的叠层。可以利用任意现有的技术使它们 涂覆有有机和/或无机材料。在这些材料当中，可以使用较低密度材料，如PE。此外，可以 使用金属箔作为膜。其它例子是金属涂覆的(或涂覆有无机材料的材料)或层叠的聚合物 膜。 作为替代方案，该膜可以包括气凝胶或由气凝胶构成。 在一个实施例中，位于等离子体(104)和发生器(101)之间的电极是网格型电极 (103')或其它类型的穿孔电极。这使得所产生的超声几乎不受阻碍地通到物体(100)，而 不丢失大量能量，由此存在尽可能多的能量以用于影响物体(100)周围的层流子层。其它 实施例可以排除网格型/穿孔电极(103')。 用于产生等离子体(104)的出向气体/气体混合物以及超声(102)的方向是相当 可控制的，它们的主方向之间的角度可以改变。在所示的实施例中，该角度约为90。。但是 该角度原则上可以是任何角度。在图5中，例如，该角度约为0。。 用于产生等离子体(104)的气体或气体混合物也可以用于驱动气体喷射声波发 生器(101)。可以在声波发生器(101)之前、在声波发生器(101)中或在声波发生器(101) 之后产生等离子体(104)。 图5示意地图示了增强等离子体表面改性设备的替代实施例。该实施例对应于结 合图4所示并说明的实施例，除了用于等离子体的气体不从侧面馈送而是从与高强度和高 功率超声波(102)相同的方向馈送之外。
图6示意地图示了增强等离子体表面改性设备的替代实施例。该实施例对应于结合图4所示并说明的实施例，除了它不包括膜之外。这种实施例适合于环境或普通空气等离子体。在这种没有膜的实施例中，用于高强度和高功率超声产生的高速空气流也可以被用作用于该等离子体的工艺气体。 图7示意地图示了增强等离子体表面改性设备的实施例，其中等离子源是表面放电(SD)等离子源。所示实施例对应于结合图4所示和说明的实施例，除了它包括表面放电(SD)等离子源(106)而不是DBD等离子源之外，该表面放电等离子源包括单个绝缘体或电介质材料(105)以及嵌入绝缘体或电介质材料(105)中的许多电极(103)。所示SD等离子源是包括所谓的CDSD放电元件的等离子源。替代的，它可以包括SPCP放电元件或其它类型的SD等离子源。作为对气流从侧面接收的替代方案，它可以在超声的高强度和高功率声波方向上提供，例如，如图5所示的或用其它方式。 图8示意地图示了增强等离子体表面改性设备的实施例，其中等离子源是炬等离子源，例如，滑动电弧等离子源。所示的实施例对应于结合图4所示和说明的实施例，除了它包括炬等离子源(例如滑动电弧等离子源)而不是DBD等离子源之外。
该炬等离子源可以是例如本领域公知的阻挡炬设计或冷等离子炬设计。
图9示意地图示了盘形盘式喷射形式的高强度和高功率声波气体喷射发生器(即盘式喷射哈特曼超声发生器)的实施例。示出了高强度超声发生器(101)(在该例子中，所谓的盘式喷射)的实施例。发生器(101)包括通常环形的外部件(305)和通常圆柱形的内部件(306)，其中环形空腔(304)凹陷。通过环形气体通道(303)，气体可以扩散到环形开口 302)，从环形开口 (302)气体可以被传送到空腔(304)。可相对于内部件(306)调整外部件(305)，例如通过在外部件(305)的底部设置螺纹或其它调整装置(未示出)，这还可以进一步包括紧固装置(未示出)，用于当在外部件和内部件之间已经获得期望的间隔时，相对于内部件(306)紧锁该外部件(305)。这种超声装置可以在4个大气压的气压下产生约22kHz的频率。因此，该气体的分子能以4. 5m/s的速度向上迁移33 y m约每秒22， 000次。这些值仅仅被包括来给出超声装置的尺寸和比例的概念，并不是限制所示的实施例。
图10是沿图9中的高强度和高功率声波发生器(101)的直径的剖面图，其更清楚地图示了开口 (302)、气体通道(303)以及空腔(304)的形状。如结合图9所述，开口 (302)通常是环形的。 气体通道(303)和开口 (302)由基本上环形的外部件(305)和布置在其中的基本上圆柱形的内部件(306)限定。从开口 (302)排放的气体射流撞击内部件(306)中形成的基本上圆周的空腔(304)，然后离开高强度超声发生器(101)。正如前面提到的，外部件(305)限定气体通道(303)的外型并以约30。的角度沿其内圆周的外表面进一步偏斜，该内圆周的外表面形成高强度超声发生器的开口 ，气体射流在从这里扩散时可以膨胀。联合内圆周的内表面上的约60。的相应偏斜，以上偏斜形成外部地限定开口 (302)的锐角圆周边缘。内部件(306)在面对该开口以及内部地限定开口 (302)的其外圆周中具有约45。的偏斜。外部件(305)可以相对于内部件(306)调整，由此可以调整撞击空腔(304)的气体射流的压力。空腔(304)凹陷于其中的内部件(306)的顶部也以约45。的角度偏斜，以允许振荡的气体射流在高强度超声发生器的开口处膨胀。 图11示意地图示了长形体形式的高强度和高功率声波发生器的另一实施例。示
20出了高强度和高功率气体喷射声波发生器(101)，其包括长形的基本上轨道状的主体，该主 体功能上等效于图9和10所示的实施例。在该实施例中，该外部件包括一个轨道状部分 (305)，与其它轨道状部分(306)共同地形成超声装置(101)。在轨道状部分(305)和轨道 状其它部分(306)之间设置气体通道(303)。气体通道具有从气体通道(303)传送发射气 体到轨道状其它部分(306)中设置的空腔(304)的开口 (302)。本实施例的一个优点是，与 圆形主体相比，轨道状主体能够涂覆大得多的表面面积。本实施例的另一个优点是可以用 挤压工艺制造高强度和高功率声波发生器，由此降低了材料成本。 图12示意地图示了包括两个发生器的高强度和高功率声波发生器的实施例。示 出了两个气体喷射高强度和高功率声波发生器(101 ;101')的例子，第一声波发生器 (101)和第二声波发生器(101')，其中每个发生器(101 ;101')使用气态介质(121)产 生高强度和高功率声波(102)。气态介质(121)在由箭头(A ;A')示意地表示的主方向上 以如由阴影区表示的锥形形状离开每个发生器(IOI)，朝向要使其表面通过等离子体改性 的一个或多个固体物体(100)。 由于高功率声波发生器(101)的设计，由第一发生器(101)产生的高强度和高功 率声波(102)在如由箭头(B)示意地表示的主方向上传播，其不同于来自第一发生器(101) 的气态介质(A)的总的方向。 由第二发生器(101')产生的高强度和高功率声波(102)在如由箭头(B')示 意地表示的总的方向上传播。 结合图11说明并解释以如此方式工作的高强度和高功率声波发生器的一个例 子。该设计以基本直线的方式(见上述)产生高强度和高功率声波，而图9和10的设计以 基本上圆形的方式产生波。 第一高功率声波发生器(101)和第二高功率声波发生器(IOI')被彼此相关地 放置，使得来自第二声波发生器(101')的所产生的高强度和高功率声波(102)中的至少 一部分具有总的方向(B')，其被指引向来自第一声波发生器(101)的至少部分气态介质 (121)，以及使得来自第一声波发生器(101)的所产生的高强度和高功率声波(102)的至少 一部分具有总的方向(B)，其被指引向来自第二声波发生器(101')的至少部分气态介质 (121)。 通过将由第二发生器(101)产生的高强度和高功率声波直接指引向来自第一发 生器(101)的气态介质(121)，以尽可能直接的方式提供能量，使得它直接影响气态介质 (121)，由此增加气态介质的效率或湍流。 这给出非常紧凑和有效的设置，因为使用总共两个发生器，每个发生器的气态介 质被另一发生器的高强度和高功率声波增强。 如果仅仅使用一个发生器(101)，高强度和高功率声波的总的方向(B或B')以 及用于一个发生器(101)的气态介质(A或A')的总的方向之间的差异将导致效率损失， 这是由于该声波与气态介质(121)不相符。 彼此相关的发生器(101 ;101')的位置可以改变。 一个例子是，例如，其中两个 发生器彼此面对，置换或移位，但是高强度和高功率声波仍然直接影响其它发生器的气态 介质。 在图中，锥体(121 ;102)的所示尺寸、方向等不涉及任何特定的物理特性如声波
21强度等，而是仅仅用于说明性目的。两个发生器(101)的强度和/或功率可以相等或不同
(任一个大于另一个)。此外，对于不同的应用，该形状、尺寸和方向可以不同。 发生器(101 ;101')中的一个发生器的具体位置也可以相对于另一发生器而改
变，以及可以放置在另一发生器上面，或高于，和/或面对另一发生器(101);只要一个发生
器(101)的声波(102)直接影响另一发生器(101)的气体电介质(121)，反之亦然。 尽管该特定的例子示出了两个发生器，但是应当理解，给出的布置可以包括附加
的发生器。 气态介质(102)通常可以是任何气体电介质。在一个实施例中，气态介质(102) 是蒸汽。在替代的实施例中，气态介质(102)包括用于产生用以对固体物体表面改性的等 离子体的一种或多种气体。 注意，结合图12或任意其它附图所示的一个或多个声波发生器可以包括一个或 多个反射器，例如，大体抛物线形或椭圆形的，以用于将声能引导到优选的区域或点。
应该强调，在本说明书中使用的术语"包括"用来规定所陈述的特征、整体、步骤或 组件的存在，但是并不排除存在或增加一个或多个其它部件、整体、步骤、组件或其群组。
在权利要求中，任何放置在括号之间的参考符号不应该构成对权利要求的限制。 词语"包括"并不排除存在除权利要求中所列出的要件或步骤以外的要件或步骤。要件前 面的词语"一"并不排除存在多个这样的要件。 本发明可以通过包括若干不同要件的硬件，以及通过适当编程的计算机或处理器 来实施。在列举数个装置的系统和装置权利要求中，这些装置的一些可以通过一个且同一 的硬件项来体现。仅有这样的事实，B卩，在相互不同的从属权利要求中引述了某些手段措 施，这并不表示这些措施的结合不能用来获得优点。
2权利要求
一种固体物体(100)的等离子体表面改性的方法，包括-通过至少一个等离子源(106)产生等离子体(104)，以及-向固体物体(100)的至少一部分表面(314)施加等离子体(104)，其特征在于，该方法还包括-通过至少一个超声的高强度和高功率气体喷射声波发生器(101)，产生超声的高强度和高功率声波(102)，所述超声的高强度和高功率声波朝向物体(100)的所述表面(314)传播，使得对于所述表面(314)的至少一部分，与所述固体物体(100)接触的气体或气体混合物(500)的层流边界层(313)被去除或最小化，以及其中所产生的超声的高强度和高功率声波(102)的声压级为至少约140dB，以及其中所产生的超声的高强度和高功率声波(102)的声功率为至少约100W。
2. 根据权利要求1的方法，其中所产生的超声的高强度和高功率声波(102)的所述声压级为-至少约150db，-至少约160dB，-至少约170dB，-至少约180dB，-至少约190db，或-至少约200dB。
3. 根据权利要求1-2的任意一项的方法，其中所产生的超声的高强度和高功率声波(102)的所述声功率为-至少约200W，-至少约300W，-至少约400W，-约400W，_大于约400W，-至少约500W，-至少约lkW，或-选自约l-2kW。
4. 根据权利要求l-3的任意一项的方法，其中所述等离子源(106)包括选自以下组中的至少一种源电介质阻挡放电(DBD)等离子源、表面放电(SD)等离子源、体放电(VD)等离子源、等离子炬源、电弧等离子炬、滑动电弧等离子炬、冷等离子炬、笔状等离子炬、直流等离子源、电容耦合等离子源、脉冲等离子源、磁控管等离子源、电子回旋共振等离子源、感应耦合等离子源、螺旋管等离子源、螺旋共振器等离子源、微波等离子源、大气压等离子体喷射(APPJ)源、阻挡炬、电弧微波炬、电晕放电等离子源、微等离子源、低压等离子源、以及高压等离子源。
5. 根据权利要求1-4的任意一项的方法，其中所述至少一个超声的高强度和高功率气体喷射声波发生器(101)的入口处的工作气压为在约1.9和约5bar之间。
6. 根据权利要求1-5的任意一项的方法，其中所述等离子体(104)在大气压下产生。
7. 根据权利要求1-6的任意一项的方法，其中所述等离子源(106)包括至少一个电极(103 ;103')，以及其中所述至少一个电极(103;103')中的一个电极(103')是网格型电极。
8. 根据权利要求1-7的任意一项的方法，其中所产生的超声的高强度和高功率声波朝向膜(401)传播，使得所述至少一个超声的高强度和高功率声波发生器(101)所使用的任意气体不与由所述等离子源(106)用来产生所述等离子体(104)的一种或多种气体(111)混合。
9. 根据权利要求l-8的任意一项的方法，其中利用气态介质(121)产生该所产生的超声的高强度和高功率声波(102)，以及其中该声波(102)被指引向物体(100)的所述表面(314)，以及其中所述气态介质(121)在离开所述至少一个超声的高强度和高功率气体喷射声波发生器(101)之后被指引远离物体(100)的所述表面(314)。
10. 根据权利要求l-9的任意一项的方法，其中用于产生等离子体(104)的气体混合物(111)被基本上在超声波朝向物体(100)的所述表面(314)传播的方向上提供给等离子源(106)的至少一个电极(103 ;103')。
11. 根据权利要求i-io的任意一项的方法，其中所述至少一个超声的高强度和高功率气体喷射声波发生器(101)选自以下组_哈特曼型气体喷射发生器，-勒瓦瓦瑟尔型气体喷射发生器，-这样的发生器，其包括限定通道(303)的外部件(305)和内部件(306)、开口 (302)、以及在内部件(306)中设置的空腔(304)，其中所述超声的高强度和高功率气体喷射声波发生器(101)适于接收加压气体，并使该加压气体通到所述开口 (302)，该加压气体被以射流从所述开口排放向所述空腔(304)，-任意上述类型的发生器，其包括任意类型的声波集中器或反射器。
12. 根据权利要求l-ll的任意一项的方法，其中所述固体物体(100)是食物，并且所述方法还包括向食物施加蒸汽，以使得所述食物经受蒸汽和等离子体，引起食物的杀菌处理。
13. 根据权利要求1-12的任意一项的方法，其中所述产生超声的高强度和高功率声波(102)包括-通过第一声波发生器(IOI)，利用气态介质(121)，产生高强度和高功率声波(102)，在离开第一声波发生器(101)之后，气态介质(121)具有第一主方向(A)，第一主方向(A)不同于由第一声波发生器(101)产生的高强度和高功率声波(102)的第二主方向(B)，-通过第二声波发生器(101')，产生高强度和高功率声波(102)，-第一声波发生器(101)和第二声波发生器(101')彼此相关地放置，使得由所述第二声波发生器(101')产生的所产生的高强度声波(102)的至少一部分被指引向在离开所述第一声波发生器(101)之后的所述气态介质(121)的至少一部分。
14. 根据权利要求1-13的任意一项的方法，其中固体物体(100)的所述等离子体表面改性选自以下组_表面活化和/或钝化，_附着力提高，-浸润性增强，-可印刷性改进，_表面清洗，_硬化，_交联，-固化，-聚合物链分裂，_着色-粗糙化，_灰化，-刻蚀，-杀菌，-薄膜淀积，-材料合成，以及-表面处的微粒形成。
15. —种用于固体物体(100)的等离子体表面改性的系统，包括-至少一个等离子源(106)，其适于产生施加到固体物体(100)的至少部分表面(314)的等离子体(104)，其特征在于，该系统还包括-至少一个超声的高强度和高功率气体喷射声波发生器(IOI)，其适于产生超声的高强度和高功率声波(102)，该声波被指引朝向固体物体(100)的所述表面(314)传播，使得对于至少一部分所述表面(314)，与所述固体物体(100)接触的气体或气体混合物(500)的层流边界层(313)被去除或最小化，其中所产生的超声的高强度和高功率声波(102)的声压级为至少约140dB，以及其中所产生的超声的高强度和高功率声波(102)的声功率为至少约IOOW。
16. 根据权利要求15的系统，其中所产生的超声的高强度和高功率声波的声压级为-至少约150db，-至少约160dB，-至少约170dB，-至少约180dB，-至少约190dB，或-至少约200dB。
17. 根据权利要求15-16的任意一项的系统，其中所产生的超声的高强度和高功率声波(102)的所述声功率为-至少约200W，-至少约300W，-至少约400W，-约400W，_大于约400W，-至少约500W，-至少约lkW，或选自约l-2kW。
18. 根据权利要求15-17的任意一项的系统，其中所述等离子源(106)包括选自以下 组的至少一种源介质阻挡放电(DBD)等离子源、表面放电(SD)等离子源、体放电(VD)等 离子源、等离子炬源、电弧等离子炬、滑动电弧等离子炬、冷等离子炬、笔状炬、直流等离子 源、电容耦合等离子源、脉冲等离子源、磁控管等离子源、电子回旋共振等离子源、感应耦 合等离子源、螺旋管等离子源、螺旋共振器等离子源、微波等离子源、大气压等离子体喷射 (APPJ)源、阻挡炬、电弧微波炬、电晕放电等离子源、微等离子源、低压等离子源、以及高压 等离子源。
19. 根据权利要求15-18的任意一项的系统，其中所述至少一个超声的高强度和高功 率气体喷射声波发生器(101)的入口处的工作气压为在约1. 9和约5bar之间。
20. 根据权利要求15-19的任意一项的系统，其中所述等离子体(104)在大气压下产生。
21. 根据权利要求15-20的任意一项的系统，其中所述等离子源(106)包括至少一个电 极(103 ;103')，以及其中所述至少一个电极(103;103')的一个电极(103')是网格型 电极。
22. 根据权利要求15-21的任意一项的系统，其中所述系统还包括膜(401)，以及其中 该系统适于使所产生的超声的高强度和高功率声波朝向膜(401)传播，以使得由所述至少 一个超声的高强度和高功率声波发生器(101)使用的任意气体不与由所述等离子源(106) 用来产生所述等离子体(104)的一种或多种气体(111)混合。
23. 根据权利要求15-22的任意一项的系统，其中利用气态介质(121)产生该所产生 的超声的高强度和高功率声波(102)，其中所述声波(102)被指引向物体(100)的所述表 面(314)，以及其中所述气态介质(121)在离开所述至少一个超声的高强度和高功率气体 喷射声波发生器(101)之后，被指引远离物体(100)的所述表面(314)。
24. 根据权利要求15-23的任意一项的系统，所述等离子源(106)包括至少一个电极 (103 ;103')，以及其中用于产生等离子体(104)的气体混合物(111)被基本上在所述 超声波朝向物体(100)的所述表面(314)传播的方向上提供给所述至少一个电极(103 ; 103')。
25. 根据权利要求15-24的任意一项的系统，其中所述至少一个超声的高强度和高功 率气体喷射声波发生器(101)选自以下的组_哈特曼型气体喷射发生器，-勒瓦瓦瑟尔型气体喷射发生器，-这样的发生器，其包括限定通道(303)的外部件(305)和内部件(306)、开口 (302) 以及在内部件(306)中设置的空腔(304)，其中所述超声的高强度和高功率气体喷射声波 发生器(101)适于接收加压气体，并将该加压气体传送到所述开口 (302)，所述加压气体被 以射流从所述开口 (302)朝向空腔(304)排放，-任意上述类型的发生器，其包括任意类型的声波集中器或反射器。
26. 根据权利要求15-25的任意一项的系统，其中所述固体物体(100)是食物，以及其 中所述系统还包括这样的装置，其向食物施加蒸汽以使得所述食物经受蒸汽和等离子体， 引起食物的杀菌处理。
27. 根据权利要求15-26的任意一项的系统，其中所述至少一个超声的高强度和高功 率气体喷射声波发生器(101)包括-第一声波发生器(101)，其利用气态介质(101)产生高强度声波(102)，其中气态介质 (101)在离开所述第一声波发生器(101)之后具有第一主方向(A)，该第一主方向不同于由 所述第一声波发生器(101)产生的高强度声波(102)的第二主方向(B)，以及-至少第二声波发生器(101')，其用于产生高强度声波(102)，其中，所述第一声波发生器(101)和第二声波发生器(101')彼此相关地放置，使得由 所述第一声波发生器(101)和第二声波发生器(101')中的一个产生的所产生的高强度声 波(102)的至少一部分被指引向在离开所述第一声波发生器(101)和所述第二声波发生器 (101')中的另一个之后的至少部分气态介质(101)。
28. 根据权利要求15-27的任意一项的系统，其中固体物体(100)的所述等离子体表面 改性选自以下的组_表面活化和/或钝化，_附着力提高，-浸润性增强，-可印刷性改进，_表面清洗，-硬化，-交联，-固化，-聚合物链分裂，-着色-粗糙化，-灰化，-刻蚀，-杀菌，-薄膜淀积，-材料合成，以及-表面处的微粒形成。
29. —种具有被等离子体(104)改性的表面(314)的固体物体(IOO)，其中该固体物体 (100)已经用根据权利要求1-14的任意一项的方法进行了改性。
全文摘要
本发明涉及一种固体物体(100)的等离子体表面改性工艺(以及相应的系统)，其包括通过等离子源(106)产生等离子体(104)，将等离子体(104)施加到固体物体(100)的至少一部分表面(314)，通过至少一个超声的高强度和高功率声波发生器(101)产生超声的高强度和高功率声波(102)，其中该超声波被指引朝向物体(100)的所述表面(314)传播，使得对于所述表面(314)的至少一部分，与所述固体物体(100)接触的气体或气体混合物(500)流的层流边界层被减薄或破坏。以此方式，等离子体可以更有效地到达和影响要被等离子体处理的固体物体的表面，这显著地加快了处理时间。
文档编号H05H1/46GK101743785SQ200880021739
公开日2010年6月16日 申请日期2008年5月9日 优先权日2007年5月11日
发明者A·巴登施泰恩, H·J·莫藤森, H·宾德斯雷弗, 尼尔斯·克雷布斯, 草野行弘 申请人:力技术公司;丹麦科技大学