Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Plasmabehandlung von Hohlkörpern. Insbesondere eignet sich die Erfindung zur schonenden Plasmabehandlung der Innenfläche von thermisch empfindlichen Hohlkörpern wie Kunststoffflaschen. Die Plasmabehandlung kann beispielsweise in der chemischen Aktivierung, Sterilisation, Reinigung oder Beschichtung bestehen. Zur Behandlung werden ein oder mehrere Hohlkörper in eine Prozesskammer verbracht. Die Prozesskammer ist mit mindestens einer Plasma- quelle in fluider Verbindung. Eine Absaugvorrichtung an der Prozesskammer erzeugt einen Unterdruck in der Prozesskammer bezüglich der Plasmaquelle, so dass Plasma aus der Plasmaquelle in Prozesskammer und Hohlkörper expandieren kann. Die Erfindung eignet sich insbesondere für die Reinigung und Weiterverarbeitung von Flaschen. Wenn die Flaschen Medikamente oder zum Verzehr bestimmte Getränke enthalten sollen, sind hat die Reinigung vor der Befüllung strenge Hygienekriterien zu erfüllen. Flaschen aus Kunstoffen wie PET haben den Vorteil, u.a. leicht und bruchsicher zu sein. Gläser, wie Siliziumdioxid, ha- ben dagegen den Vorteil u.a. eine inerte und dichte Oberfläche auszubilden. Durch Vielschichtsysteme sind die Vorteile verschiedener Materialien kombinierbar. Voraussetzung dafür ist eine gute Haftwirkung zwischen den Schichten auch bei thermischer, mechanischer oder chemischer Belastung, wie sie bei wiederholten Reinigungszyklen von Mehrwegflaschen entsteht. Beispielsweise kann eine PET-Flasche von innen mit einer Glasschicht und/oder mit einer UH- absorbierenden Schicht versehen werden. Ein anderes Beispiel ist die selektive Veränderung der Polymerstruktur auf der Innenfläche einer Kunststoffflasche. Die deutsche Patentanmeldung DE 1020080371 59 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Behandlung von Hohlkörpern umfassend eine Unterdruckbehand- lungskammer und Mittel zum Erzeugen des Plasmas. Das Plasma wird im Hohlkörper erzeugt. Die zur Plasmaerzeugung nötige Energie entstammt einem elektrischen Feld zwischen einer U-förmigen Elektrode außerhalb des Hohlkörpers und einer rohrförmigen Elektrode, die in den Hohlkörper hineinragt und auch als Zuführung eines Prozessgases in den Hohlkörper fungiert. In der internationalen Patentanmeldung WO 2005/099320 A2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Niederdruckplasmas offenbart, bei dem ein Plasma über eine nicht verstellbare Plasmadüse durch einen Unterdruck in eine Niederdruckkammer gesogen wird. Die Erfindung betrifft auch verschiedene Anwendungen des Niederdruckplasmas zum Oberflächenbehan- dein, zum Oberflächenbeschichten oder zum Behandeln von Gasen.

In der europäischen Patentschrift EP 0 887 437 B1 ist ein Verfahren zum Abscheiden eines haftenden Überzuges auf die Oberfläche eines Substrates durch Plasmaabscheidung offenbart. Es umfasst die Ausbildung eines sauerstoffhaltigen Plasmas durch einen Gleichstrom-Lichtbogenplasmagenerator, Injizieren eines Reaktantengases in das Plasma außerhalb des Plasmagenerators, Richten des Plasmas in eine Vakuumkammer durch einen divergenten Düseninjektor, der Plasmagenerator und Vakuumkammer verbindet. Dadurch wird aus dem Sauerstoff und dem Reaktantengas gebildete reaktionsfähige Spezies die Oberfläche des Substrates für eine genügende Zeitdauer kontak- tiert, um einen haftenden Überzug zu bilden. Als Plasmaerzeuger wird ein kas- kadenförmiger Lichtbogenplasma-Brenner genannt. Die genannten Schichtsysteme umfassen unter anderem die Siliziumoxidabscheidung aus

Hexamethyldisiloxan (HMDSO).

In dem US Patent US 5,853,815A ist eine Vorrichtung zum plasmagestützten Beschichten von flachen Substraten offenbart. Ein statisches Plasma expandiert aus einer Plasma-Gun, die sich innerhalb einer Druckkammer befindet. Dem Plasma in der Plasma-Gun kann ein Pulver zugeführt werden, das durch das Plasma verändert und mit ihm durchmischt wird, um eine uniforme Verteilung oder Beschichtung auf dem zu bearbeitendem Werkstück zu erzielen.

Die internationale Patentanmeldung WO 95/22413 A1 offenbart Verfahren und Vorrichtungen zur Schaffung von inerten oder impermeablen Innenflächen von Gefäßen, insbesondere aus Plastik, sowie deren Beschichtung mit Polymeren. Die zu behandelnden Gefäße werden in einer Vakuumkammer angeordnet. Je eine Zuleitung für ein Prozessgas ist in jedes Gefäß einführbar. Das Prozessgas kann innerhalb der Gefäße durch Anlegen einer Spannung zwischen Elektroden, die sich au ßerhalb der Gefäße befinden, oder Mikrowellenbestrahlung zu einem Plasma gezündet werden. Die Spannung kann eine Gleichspannung oder eine hochfrequente Wechselspannung sein. Vor der Plasmazündung können dem Prozessgas ein oder mehrere Beschichtungsmaterialien oder Prozessgase zugeführt werden. Ein Sequenz-Controller steuert die Prozesssequenz des Beschichtungsverfahrens, indem es Vakuumventile zur Erzeugung eines Vakuums in der Vakuumkammer ansteuert, die Prozessgaszufuhr in die Gefäße regelt und schließlich einen mit den Elektroden verbundenen Plasmagenerator ansteuert. Es wird weder beschrieben, dass das Plasma ausschließlich außerhalb des Gefäßes erzeugt wird, noch mit welchen Mitteln oder Maßnahmen es dem Gefäß, insbesondere gesteuert, zugeführt wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur effizienten, schonenden und vollständigen Reinigung und/oder Behandlung der Innenfläche von einem oder mehreren Hohlkörpern zu entwickeln.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gelöst, die die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst. Ebenso ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem die Innenfläche von einem oder mehreren Hohlkörpern effizient, schonend und vollständig gereinigt und/oder behandelt werden können.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das die Merkmale des An- Spruchs 8 umfasst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Plasmabehandlung von Hohlkörpern umfasst eine Prozesskammer zur Aufnahme mindestens eines zu behandelnden Hohlkörpers. Des Weiteren umfasst sie mindestens eine Plasmaquelle zur Erzeugung eines Plasmas. Eine Energiequelle speist die Plasmaquelle mit der nötigen Energie, um in ihr ein Prozessgas zu plasmafizieren. Die Energiequelle kann beispielsweise ein Spannungsquelle, eine Strahlungsquelle (z.B. eine Mikrowellenquelle) oder eine Wärmequelle sein. Mindestens eine Absaugvorrichtung stellt eine Druckdifferenz zwischen der Plasmaquelle und der Prozesskammer ein. Erfindungsgemäß ist die mindestens eine Plasmaquelle außerhalb der Prozesskammer angeordnet und steht mit ihr in fluider Verbindung. Über eine Regeleinheit ist die Energiequelle derart regelbar, dass ein pulsierendes Plasma erzeugbar ist. Je eine Plasmaführung mit je einem Auslass für einen Zustrom von Plasma ragt durch eine Öffnung eines jeden Hohlkörpers. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung trägt jede Plasmaführung je eine erste Dosiereinheit zur Dosierung des Zustroms von Plasma in den jeweiligen Hohlkörper. Sowohl die Öffnung der Kammer, über die die Plasmaquelle mit ihr in fluider Verbindung steht, als auch der Auslass der Plasmaführung können als Düse oder Zerstäuber ausgestaltet sein, um das Plasma und eventuell darin enthaltene Stoffe zu durchmischen, homogen zu verteilen und/oder einen gerichteten Plasmastrahl zu modulieren. Die Plasmaführung ist bevorzugt so ausgebildet und angeordnet, dass, wenn sie in den Hohlkörper eingetaucht ist, entlang der Öffnung des Hohlkörpers eine umlaufend lichte Öffnungsfläche ausgebildet wird. Diese lichte Öffnungsfläche stellt somit eine fluide Verbindung desHohlkörpers mit der Prozesskammer her. Gleichzeitig ist sie eine Flussimpedanz für aus dem Hohlkörper abströmendes Gas und/oder Plasma. Durch geeignete Formgebung dieser Öffnungsfläche und abgestimmte Anpassung der effektiven Pumpleistung der Absaugvorrichtung und des Zustroms von Plasma vermittels der ersten Dosiervorrichtung kann ein Überdruck im Hohlkörper gegenüber der Prozesskammer eingestellt werden. Insbesondere kann durch eine umlaufend gleichförmige Ausgestaltung der Öffnungsfläche der Abstrom von Plasma aus dem Hohlkörper homogenisiert werden, so dass das Plasma gleichmäßig auf die Innenfläche des Hohlkörpers einwirkt. Um die Strömungsverhältnisse derart einzustellen, ist beispielsweise der Aus- lass der Plasmaführung geeignet zu positionieren. Es empfiehlt sich, Plasmaführung konzentrisch mit der Öffnung des Hohlkörpers anzuordnen und den Auslass der Plasmaführung geeignet tief in den Hohlkörper einzutauchen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zur Beschichtung oder chemischen Behandlung um eine Zuleitung zum Zustrom eines Prozessmaterials erweitert werden, die in die Plasmaführung mündet. Die Mündungsöffnung der Zuleitung in die Plasmaführung kann als Düse oder Zerstäuber ausgeführt sein, um das Prozessmaterial gleichmäßig im Plasma zu verteilen.

Der Zuleitung zum Zustrom des Prozessmaterials kann eine zweite

Dosiereinheit vorgeschaltet sein. Die erste und zweite Dosiereinheit können zudem derart steuerbar sein, dass der Zustrom von Prozessmaterial in Zeit und Menge auf den Zustrom von Plasma abstimmbar ist. Die dazu erforderliche Steuereinheit kann beispielsweise ein Computer oder MikroController sein, der die Dosiervorrichtungen über eine Schnittstelle zeitlich und mengenmäßig aufeinander abgestimmt ansteuert. Manche Prozesse erfordern, dass das Prozessmaterial in einem geeigneten Aggregatszustand, Körnungsgröße oder chemischen Zustand vorliegt. Die abstimmbare Steuerung hat den Vorteil, dass das Prozessmaterial vor Kontakt mit der Innenfläche des Hohlkörpers vollständig mit dem Plasma chemisch rea- gieren oder zerstäubt werden kann.

Des Weiteren offenbart die Erfindung ein Verfahren zur Plasmabehandlung von Hohlkörpern. Insbesondere eignet sich die vorbeschriebene Vorrichtung für dieses Verfahren. Es ist gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

Zunächst wird mindestens ein Hohlkörper in einer Prozesskammer eingeschleust und angeordnet. Anschließend stellt eine Absaugvorrichtung einen Unterdruck in der Prozesskammer gegenüber mindestens einer Plasmaquelle ein. In welchem Parameterbereich der Unterdruck eingestellt werden kann, hängt von der effektiven Pumpleistung und den Flussimpedanzen ab. Zu den Flussimpedanzen zählen die Öffnung der Prozesskammer, die erste und zweite Dosiereinheit, die Plasmaführung und ihr Auslass, der Hohlkörper und die lichte Öffnungsfläche zwischen Öffnung des Hohlkörpers und der Plasmaführung. Anschließend wir in der Plasmaquelle ein gepulstes Plasma erzeugt. Das Plasma kann vorteilhafterweise bei Atmosphärendruck oder höher gezündet und erzeugt werden.

Dieses Plasma durch je eine Plasmaführung in jeden Hohlkörper eingeführt. Durch den Unterdruck in Prozesskammer und somit auch im Hohlkörper gegenüber der Plasmaquelle wird das Plasma höheren Drucks (in der Plasma- quelle) zu einem Plasma niedereren Drucks (in der Prozesskammer und dem Hohlkörper), auch Niederdruckplasma genannt.

Der Zustrom von Plasma kann zusätzlich über eine Dosiereinheit gesteuert werden und zwar derart, dass sich ein gepulstes Plasma in jedem Hohlkörper gleichmäßig verteilt. Dadurch ist insbesondere die wirkende Wärmeleistung des Plasmas auf den Hohlkörper regulierbar bzw. einstellbar.

Eine Plasmaquelle kann erfindungsgemäß aus einer Spannungsquelle mit Energie gespeist werden. Die Pulsung des Plasmas kann zusätzlich moduliert werden, indem die Spannungsquelle Spannungspulse ausgibt.

Insbesondere können die Spannungspulse Gleichspannungspulse mit festen oder variablen Werten für Pulsdauer, Pulsintervall und/oder Höhe der Spannung sein. Durch Modulation der Spannungspulse kann die Wärmeleistung, die thermische und/oder elektrostatische Belastung durch das Plasma auf den Hohlkörper einstellt werden.

Eine Erweiterung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, mit dem Plasma eine Beschichtung oder chemische Reaktion mit einem oder mehreren Bestandteilen oder Reaktionsprodukten von Prozessgas und/oder einem Pro- zessmaterial, einer Polymerisierung oder eine vor- oder nachgelagerte Reinigung der Innenfläche des Hohlkörpers durchzuführen. Die Erfindung zielt insbesondere auf Hohlkörper wie Plastikflaschen, die zur Aufnahme von Lebensmitteln, Getränken oder Medikamenten bestimmt sind. Der nachgelagerte Reinigungsschritt muss daher die Innenfläche der Flaschen von Reststoffen der Beschichtung oder Polymerisierung sowie von sonstigen Verschmutzungen entsprechend der einschlägigen Hygienenormen reinigen.

Das Prozessmaterial kann über eine in die Plasmaführung mündende Zuleitung eingeführt werden. Die erste Dosiereinheit und eine zweite Dosiereinheit zur Dosierung des Prozessmaterials können derart gesteuert werden, dass der Zustrom von Prozessmaterial in Zeit und Menge auf den Zustrom von Plasma abgestimmt wird. Zur Senkung der thermischen Belastung kann zudem zwischen den Pulsen von den Hohlkörpern zugeführten Plasma ein Prozessgas zumindest zeitweise zugeführt werden. Dadurch wird die durch die Plasmabehandlung entstandene Wärme abgeführt. Der Zustrom des Prozessgases zur derartigen Kühlung der Hohlkörper kann über die erste und/oder zweite Dosiereinheit geregelt werden. Eine Verringerung des Zustroms eines solchen Kühlgases verringert zwar die Kühlleistung, erlaubt aber die Prozessführung bei niedrigerem mittlerem Druck.

Das Prozessmaterial kann erfindungsgemäß aus einem Trägergasbestehen, welches einen Aktivstoff in Form von Dampf oder Nebel oder Suspension trägt. Das Plasma kann so eingestellt werden, dass die Aktivstoffe gezielt verteilt und verdampft oder sublimiert werden. Ebenso können Bestandteile des Aktivstoffs, des Prozessgases oder des Hohlkörpers miteinander chemisch reagieren. Welche chemischen Reaktionen wie ablaufen können, kann durch die Beschaffenheit des Plasmas (z.B. Plasmaleistung, Plasmapulsung, lonisierungsgrad, Gas-, Ionen- und Elektronentemperatur) eingestellt werden. Die Beschaffenheit des Plasmas kann durch abgestimmtes Steuern der ersten Dosiereinheit und/oder der Regeleinheit und der effektiven Pumpleistung der Absaugvorrichtung moduliert werden. Ein Beispiel für Aktivstoffe sind Hexamethyldisiloxan (HMDSO, zur Siliziumoxidabscheidung) oder Wasserstoffperoxid (H ₂ 0 ₂ ). Das Trägergas kann beispielsweise aus einer sauerstoffhaltigen, wasserstoffhaltigen oder chemisch inerten Gasmischung bestehen. Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Vorrich- tung und einen zu behandelnden Hohlkörper sowie

Fig. 2 eine zweite Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung und einen zu behandelnden Hohlkörper.

In den Zeichnungen werden für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung identische Bezugszeichen verwendet. Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 . In einer Prozesskammer 20 ist mindestens ein zu behandelnder Hohlkörper 50 angeordnet. Eine Plasmaquelle 10 ist außerhalb der Prozesskammer 20 angeordnet. Sie steht über einen Auslass 12 mit der Prozesskammer 20 in fluider Verbindung. Der Auslass 12 kann auch als Düse ausgestaltet sein. Über eine Zuführung 1 1 kann der Plasmaquelle 10 ein Prozessgas gl zugeführt werden. Eine Energiequelle 30 kann durch Anlegen einer Spannung an einer aktiven Elektrode 31 gegen das gemeinsame Erdpotential 32 von Spannungsquelle 30, Plasmaquelle 10 und Prozesskammer 20 aus dem Prozessgas gl ein Plasma P zünden. Das gemeinsame Erdpotential 32 vermeidet elektrostatische Aufla- dungseffekte oder parasitäre Ströme und Plasmazündungen. Die Energiequelle 30 kann vermittels einer Regeleinheit 33 Spannungspulse V(t) ausgeben, so dass ein gepulstes Plasma P in der Plasmaquelle 10 entsteht.

Die Prozesskammer 20 ist mit einer Ablaufvorrichtung 60 in fluider Verbindung, so dass eine Druckdifferenz Ap(ein Unterdruck)zwischen dem Druck p20 in der Druckkammer 20 gegen den Druck p10 in der Plasmaquelle 10 erzeugt wird. Das Plasma P aus der Plasmaquelle 10 kann durch eine Plasmaführung 13 mit einem vorzugsweise als Düse ausgestalteten Auslass 14 in den Hohlkörper 50 strömen und expandieren. Durch die Expansion hat das zugeführte Plasma P2 eine modulierte Beschaffenheit gegenüber dem Plasma P in der Plasmaquelle 10, insbesondere einen geringeren Druck. Der Zustrom von Plasma P kann über eine Dosiereinheit D1 der Plasmazuführung 1 3 zeitpräzise dosiert oder ganz unterbrochen werden. Plasma P2, Prozessgas gl , Prozessmaterialien M oder deren Reaktionsprodukte können über eine Öffnung 52des Hohlkörpers 50 in die Prozesskammer 20 abströmen. Durch die gleichmäßige Expansion von Plasma P2 in den Hohlkörper 50 und dem gleichmäßigen Abstrom aus ihm herauswirkt das Plasma P2 gleichmäßig auf seine Innenfläche 51 .

In die Plasmaführung 13 mündet, der ersten Dosiereinheit D1 nachgeordnet, eine Zuführung 40 für ein Prozessmaterial M zur Beschichtung, Reinigung, Sterilisation, Aktivierung oder Polymerisierung der Innenfläche 51 des Hohlkörpers 50. Das Prozessmaterial kann aus einem Trägergas g2 und einem Aktivstoff A oder einem Aktivstoffgemisch bestehen. Die Mündung 41 der Zuführung 40 kann als Düse oder als Zerstäuberfür das Prozessmaterial M ausgeführt sein. Eine zweite Dosiereinheit D2 steuert den Zustrom von Prozessmaterial M in Zeit und Menge. Insbesondere sieht die Erfindung vor, die erste und zweite Dosiereinheit D1 und D2 und/oder die Regeleinheit 33 der Spannungsquelle 30 zeitlich aufeinander abzustimmen. So kann das Plasma P2 moduliert (insbesondere gepulst) und der Zustrom von Prozessmaterial M in Zeit und Menge auf den Zustrom von Plasma P2 abgestimmt werden.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die in Fig. 1 vorbeschriebene Vorrichtung entlang der gestrichpunkteten Linie Z. Die Plasmaführung 13 ragt durch eine Öff- nung 52 des Hohlkörpers 50, so dass sich der Auslass 14 für Plasma P2 innerhalb des Hohlkörpers 50 befindet. Seine Eintauchtiefe ist ein Parameter, der zur gleichmäßigen Verteilung von Plasma P2 über der Innenfläche 51 des Hohlkör- pers 50 einzustellen ist. Beispielsweise hat ein zu bearbeitender Hohlkörper 50 eine runde Öffnung 52; dieser Rundform angepasst hat Plasmaführung 13 in der dargestellten Ausführungsform einen runden Querschnitt. Die Plasmaführung 13 hat einen geringeren Außendurchmesser (d1 3) als ein Innendurchmes- ser (d52) der Öffnung 52 des Hohlkörpers 50. Die Plasmaführung 13 ist konzentrisch zur Öffnung 52 des Hohlkörpers 50 angeordnet. Durch die so ausgebildete umlaufend lichte Öffnung 53 ist ein gleichmäßiger Abstrom (E) aus dem Hohlkörper 50 gewährleistet. Damit wird ein gleichmäßiges Einwirken des Plasmas P und/oder Prozessmaterials M über die gesamte Innenfläche 51 des Hohlkörpers 50 bewirkt. Ein weiterer Vorteil dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform ist, dass selektiv nur die Innenfläche 51 des Hohlkörpers 50 behandelt wird.

Bezugszeichenliste:

1 Vorrichtung

10 Plasmaquelle

1 1 Zuführung des Prozessgases

12 Auslass der Plasmaquelle

13 Plasmaführung

14 Auslass

20 Prozesskammer

30 Spannungsquelle

31 Elektrode

32 Erdpotential

33 Regeleinheit

40 Zuleitung des Prozessmaterials

41 Mündung

50 Hohlkörper

51 Innenfläche des Hohlkörpers

52 Öffnung des Hohlkörpers

53 Umlaufend lichte Öffnungsfläche

60 Absaugvorrichtung

gi Prozessgas

g2 Trägergas

M Prozessmaterial

A Aktivstoff

V(t) Spannung

D1 erste Dosiervorrichtung

D2 zweite Dosiervorrichtung

p10 Druck in der Plasmaquelle

p20 Niederdruck in der Niederdruckkammer

Δρ Druckdifferenz

P Plasma

P2 dem Hohlkörper zugeführtes Plasma z-z Schnittachse für Fig. 2

d13 Außendurchmesser

d52 Innendurchmesser

E Abstrom