EP1481573A1 - Generateur de gaz pour un systeme de sterilisation - Google Patents

Generateur de gaz pour un systeme de sterilisation

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Publication number
EP1481573A1
EP1481573A1 EP03725255A EP03725255A EP1481573A1 EP 1481573 A1 EP1481573 A1 EP 1481573A1 EP 03725255 A EP03725255 A EP 03725255A EP 03725255 A EP03725255 A EP 03725255A EP 1481573 A1 EP1481573 A1 EP 1481573A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
generation system
plasma generation
curvature
high voltage
discharges
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03725255A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Philippe Destrez
Jean-Pierre Maillot
Michel Fesquet
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Absys
Original Assignee
Absys
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Absys filed Critical Absys
Publication of EP1481573A1 publication Critical patent/EP1481573A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/2406—Generating plasma using dielectric barrier discharges, i.e. with a dielectric interposed between the electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H2242/00—Auxiliary systems
    • H05H2242/20—Power circuits
    • H05H2242/22—DC, AC or pulsed generators

Definitions

  • the present invention relates to a plasma sterilization system at ambient pressure and temperature and more particularly it relates to a plasma gas generator for such a system.
  • a specific sensor targeted at a specific gas can possibly be developed to control the presence of this gas in the sterilization zone and therefore indirectly the effectiveness of the sterilizing gas.
  • such specific sensors have a high cost and they can only control part of this sterilizing gas.
  • the useful signals to be analyzed are of the order of a few nanoseconds, and require acquisition and flow analysis cards whose sampling is greater than 500 MHz, as described in the article by O. Motret, C. Hibert, M. Nikravech, I. Gaurand, RNiladrosa, JMPouvesIe, "The Dependence of Ozone Génération Efficiency on Parameter Adjustment in a Triggered Dielectric Barrier Discharge” published in the journal “ Ozone Science And Engineering, Vol 20, 1998, p.51-66 ”.
  • the present invention relates to a plasma generation system which allows, by a simple and economical measurement, this guarantee of effectiveness of the sterilizing gas.
  • a plasma generation system comprising a high voltage generator connected to at least two electrodes, one of which has a large radius of curvature (preferably of planar geometry) and another of which has a small radius of curvature. , characterized in that said high voltage generator is controlled so as to maintain constant the average frequency of occurrence of current discharges going from the at least one electrode with small radius of curvature to the at least one electrode with strong radius of curvature .
  • the plasma generation system advantageously comprises a dielectric insulator inserted between the electrodes.
  • said high voltage generator may include a high gain transformer controlled by a transistor operating in switching mode under the control of a low voltage signal generator of fixed fixed frequency and of variable duty cycle (case of a alternating high sinusoidal high voltage generator) or it may include a high voltage chopper alternately distributing a positive direct high voltage and a negative direct high voltage to the at least one electrode with small radius of curvature under the control of a low signal generator fixed frequency voltage determined and variable duty cycle, (case of a high voltage pulsed generator).
  • the generator is a high voltage direct current generator, it may include a rectifier assembly arranged at the output of a high gain transformer controlled by a transistor operating by switching under the control of a low voltage signal generator of fixed fixed frequency and variable duty cycle.
  • a signal representative of the current discharges going from the at least one electrode with small radius of curvature to the at least one electrode with strong radius of curvature it can comprise a resistance placed between a ground potential and the at least one electrode with a large radius of curvature or else a current transformer placed in the electrical circuit for supplying the electrodes.
  • it further comprises a high pass filter or band pass so as to recover from the measured signal only the part representative of the discharges appearing between the electrodes.
  • the measured and filtered signal is then transformed, over a fixed fixed period, by a system of conversion into a determined direct voltage representative of an average number of electrical discharges and this average number of measured discharges is regulated by a regulation system on a preset preset value corresponding to said average frequency of occurrence of current discharges.
  • the invention also relates to any plasma sterilization system in the presence of humidity, at atmospheric pressure and at room temperature, using the aforementioned plasma generation system.
  • FIG. 1 is a block diagram of a plasma sterilization assembly
  • FIG. 2 is a block diagram of a plasma generation system according to the invention implemented in the sterilization assembly of FIG. 1,
  • FIG. 3 is a first embodiment of the plasma generation system of FIG. 2 at high alternating voltage
  • FIG. 4 shows two curves linking an average number of discharges and the amplitude of the high voltage with the duty cycle of a low voltage control generator
  • FIGS. 5a to 5d are oscillograms representing electrical measurements carried out at particular points in the system of FIG. 3,.
  • FIG. 6 illustrates an alternative embodiment of the current measurement system from a current transformer
  • FIG. 7 shows a first alternative embodiment of the plasma generation system of FIG. 2 in which the high voltage is continuous
  • FIG. 8 shows a second alternative embodiment of the plasma generation system of FIG. 2 in which the high voltage is drawn
  • FIGS. 9a to 9c are oscillograms representing electrical measurements carried out at particular points in the system of FIG. 8, and
  • FIG. 10 is a diagram representing the distribution of the quantity of charge over time in the plasma generation system of the invention.
  • FIG. 1 illustrates a block diagram of a plasma sterilization system.
  • a non-biocidal gas source 10 injects non-biocidal gas into a plasma generation system 12 which generates a biocidal plasma from the non-biocidal gas and injects the sterilizing biocidal gas thus formed into a treatment zone 14 comprising the object or objects to be sterilized 16.
  • the gas leaving this zone is discharged outside preferably after passing through a system 18 for filtering harmful residues.
  • the treatment area is sealed and subjected to ambient temperature and pressure.
  • the biocidal gas contained in the treatment zone must contain a relative humidity level greater than 50%.
  • the plasma generation system 12 may (for all or part) be or not be separated from the treatment zone 14.
  • the inventors propose to control the plasma generator on the quantity of energy transmitted to the gas during inter-electrode discharges.
  • the direct measurement of this quantity of energy not being easy, the inventors propose to resort to the enumeration of the current discharges traversing the supply circuit of the electrodes over a period of duration largely superior to the average time between two electric discharges .
  • the test was carried out on 70 discharges, that is to say over a duration of 500 ⁇ s during our experience. It can be seen that there is a majority of current discharges contained between 0.30 nC and 0.60 nC.
  • the following table gives the sterilizing behavior of a prototype sterilization system operating according to the principle of the invention, in the case of sterilization of Bacil spores / us subti / is.
  • the index “number of discharges” corresponds to the average of the number of discharges per period of the alternating high voltage signal applied between the electrodes and the efficiency is given in decimal reduction time, namely the time necessary to divide a population of spores by 10.
  • FIG. 2 A schematic view of a plasma generation system implementing the above principle is given in FIG. 2. It is organized around a high voltage generator 20 which supplies two electrodes 22, 24 with two electrodes , each having a very different radius of curvature, to produce between them an electric discharge known as a "crown" discharge.
  • the electrode with a small radius of curvature 26 is typically a wire or a blade provided with points and the electrode with a large radius of curvature 28 is a flat surface.
  • a current measurement system 32 is mounted in series with the electrical conductor 24 on the high voltage path. The measured current, or the equivalent voltage, is transformed, over a fixed fixed period, by a conversion system 34 into an average number of electrical discharges.
  • a regulation system 36 then develops a control signal from the voltage generator 20 so as to maintain this average number of discharges measured as close as possible to a set value 38 defined by the user and corresponding to a frequency of appearance of discharge desired.
  • a regulation loop was thus produced adjusting the amplitude of the high voltage so as to keep constant the average frequency of occurrence of current discharges. If the input voltage of the regulator is higher than the setpoint voltage 38, this means that the average frequency of appearance of the discharges is too high, and the output voltage of the regulator then decreases linearly until the voltage of input and the setpoint voltage are equal. Otherwise, or the input voltage is lower than the setpoint voltage, this means that the average frequency of discharges is too low, and the regulator output voltage increases linearly until these two tensions are again equal.
  • Such an implementation is particularly appropriate because it is found that the average number of discharges over a given time can be controlled by acting on the amplitude of the high voltage applied between the electrodes, the control being carried out according to the law: Increase in the amplitude of the high voltage -> increase in the number of discharges, decrease in the amplitude of the high voltage -> decrease in the number of discharges.
  • the high alternating voltage generator 20 consists of a transformer 40, typically of high gain, controlled by a transistor 42 operating in switching mode.
  • the control signal 44 of the transistor is produced by a generator of rectangular signals 46 of fixed frequency and variable duty cycle.
  • the fixed frequency of this generator is calculated to coincide with the resonant frequency of the transformer / plasma source assembly.
  • the duty cycle of signal generator is controlled by the output signal from the regulation system 36.
  • the system 32 for measuring the current flowing through the interelectrode space consists of a simple resistor 48 at the terminals of which a voltage proportional to the current which constitutes the input signal of the conversion system is taken.
  • This conversion system 34 includes a high pass filter 50 to remove any low frequency component from this input signal and keep only the high frequency components resulting from the discharges between the electrodes. It will be noted that it is also possible to use a more or less selective bandpass filter, so as to recover only the useful components of the signal, and in particular so as to remove the various parasites and disturbances that may appear.
  • the resulting signal at the output of the filter then passes through a comparator 52 which detects the crossing of a predetermined variable threshold, defined by a threshold potentiometer 54, and delivers in a logical form the current discharges exceeding this threshold.
  • This logic signal is injected into a binary counter (or frequency meter 56) synchronized with the signal 44 for controlling the transistor and which will store in the form of a DC voltage (via a sampler-blocker) a count value per measurement period. . Synchronization is carried out so as to calculate an average frequency of appearance of the discharges over a fixed fixed period corresponding to a multiple (for example 16 times) of the period of the control signal.
  • the output voltage of the frequency meter is introduced into the regulation system 36 constituted by a comparator 58 which compares the output voltage with a set voltage given by a set point adjustment potentiometer 60.
  • the output of the comparator serves as a control for controlling the duty cycle of the rectangular signal generator 46 and therefore for adjusting the high voltage at the transformer 40 (via the switching transistor 42).
  • the control of the duty cycle as a function of this control signal, which is used to adjust the amplitude of the high voltage, is linear as illustrated by curve 62 in FIG. 4.
  • This signal is minimum for a duty ratio of 0% and maximum for a duty cycle of 100%.
  • curve 64 which gives the relation existing between the duty cycle and the average number of discharges per cycle of the signal appearing between the electrodes, that the open loop gain of the regulator is significant, which shows the interest of regulate on the average number of discharges and not on the amplitude of the high voltage.
  • FIGS. 5a to 5d show the changes in the voltages and currents in this generator for different duty cycles of the control signal.
  • the control signal 44 of the transistor 42 has a duty cycle fixed at 25%.
  • This sudden drop in turn induces a significant rise in voltage on the output 70 of the transistor which can reach 100V for a supply of a few tens of volts (30v for example).
  • This voltage peak on the primary of the transformer induces a high voltage on the output 72 of the secondary which, under the aforementioned conditions and depending on the gain of the transformer, can reach 5 kV peak to peak.
  • the control signal 44 has a duty cycle fixed at 50%. It is clearly seen that the current (at 70) passing through the primary of the transformer 40 now reaches higher values than for the previous case, as well as the voltage (at 70) on this same primary. Logically, the output voltage 72 of the transformer reaches a value greater than the previous case, in this case 10 kV peak to peak. In this case, the measurement of the voltage across the resistance reveals electrical discharges taking the form of voltage peaks. After filtering 50, the comparator 52 whose threshold value fixed by the potentiometer 54 is now exceeded, detects existing discharges (about 3 per period in the example illustrated).
  • the control signal 44 has a duty cycle fixed at 75%.
  • the increase in the duty cycle induces an increase in the output voltage 72 of the transformer 40, for example 15 kV peak to peak, and the number of discharges detected by the comparator 52 is greater than the previous one and in this case equal to 6 per period for example.
  • the evolution of the signals in the regulation system 36, when the system is started up, is illustrated on the oscillograms of FIG. 5d.
  • the conversion system 34 is synchronized with twice the period of the signal 44 for controlling the transistor. Thus, every two periods of this control signal, the count is updated and gives an average value of frequency of occurrence of discharges over two periods.
  • the setpoint signal 38, 80 is set, at a fixed voltage corresponding to a determined frequency of occurrence of the discharges (here about 6 discharges per period).
  • the duty cycle of the control signal 44 increases progressively, which induces an increase in the number of discharges detected at output 78 of the comparator 52.
  • the output signal 82 of the frequency meter 56 then increases progressively in stages, every two periods of the control signal .
  • the output 84 of the regulator 58 continues to increase, which induces an increase in the duty cycle of the control signal and then, when this signal output becomes equal to the setpoint voltage, output 84 of the regulator stabilizes, and the system is set to the desired average number of discharges.
  • FIG. 6 shows the essential elements of FIG. 3 with their numbering, with the exception of the current measurement system which is replaced by a new current measurement assembly 90.
  • This consists of a ferrite 92 traversed by the conductor 22 carrying the high voltage and comprising a wire 94 wound in turns in the ferrite and used to draw part of the current.
  • One of the two ends of the wire is connected to earth while the other part goes to the filter 50 of the conversion system 34, the operation of which remains identical to that described with regard to FIG. 3.
  • FIG. 7 shows the electronic diagram of the corresponding plasma generation system.
  • the plasma source no longer includes the dielectric 30 usable only in the alternative case and the output 72 of the transformer 40 passes through a rectifier assembly 96, for example with voltage doubling, before passing through source.
  • This well-known system makes it possible to transform an alternating voltage of xV peak to peak into a direct voltage of value 2 * x V.
  • the voltage 22 applied to the terminals of the source is continuous and is proportional to the amplitude of the voltage 72 output of the transformer 40.
  • the high voltage is now a pulsed high voltage, that is to say a positive high voltage VHT + and a negative high voltage VHT-, of the same absolute value (5kV for example), supplied by a high voltage chopper 98 whose output is connected to the electrode with small radius of curvature 26 by the conductor 22.
  • This chopper conventionally comprises two high voltage electronic switches (for example high voltage optocouplers 100 and 102) controlled respectively by the output signal 44 of the low voltage signal generator 46, and by this same inverted signal 104 by a logic gate 106.
  • the different electrical signals that can be observed in this alternative embodiment are illustrated in the oscillograms of FIGS. 9a to 9c, for different cases of cyclic ratio of the control signal 44.
  • the voltage applied alternately to the electrode 26 is now either VHT + or VHT, with a respective duration report in accordance with the duty cycle of the control signal 44, the duration of the VHT + level determining the number of discharges likely to appear between the electrodes. For example, for a VHT + voltage of 5KV, there are the following correspondences: 25% duty cycle -> 2 alternating discharges.

Landscapes

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Abstract

Systíme de génération de plasma comportant un générateur de haute tension (20) relié à au moins deux électrodes (26, 28) dont une comporte un fort rayon de courbure, ou est de géométrie plane, et une autre comporte un faible rayon de courbure, ce générateur de haute tension étant commandé (32, 34, 36) de façon à maintenir constante la fréquence moyenne d'apparition des décharges de courant entre les électrodes.

Description

Générateur de gaz pour un système de stérilisation
Domaine de la technique
La présente invention concerne un système de stérilisation par plasma à pression et température ambiante et plus particulièrement elle se rapporte à un générateur de gaz plasma pour un tel système.
Art antérieur
Il existe aujourd'hui un certain nombre d'appareillages de désinfection ou de stérilisation fonctionnant sur la base d'un gaz biocide résultant d'un gaz plasma. En outre, beaucoup de ces appareillages ont recours à des dispositifs complexes de fabrication de vide.
Dans la demande de brevet WO 00/54819 déposée au nom de la demanderesse, les inventeurs ont proposé un nouveau procédé de stérilisation à pression atmosphérique et à température ambiante utilisant un plasma en post-décharge. Ce procédé qui donne toute satisfaction fonctionne à partir d'un mélange gazeux non-biocide (par exemple de l'air), la stérilisation se faisant en présence d'humidité. Cependant, avec cette configuration, il est difficile d'apprécier l'efficacité du gaz stérilisant. Or, cette connaissance s'avère primordiale pour garantir une qualité constante dans le temps de la stérilisation.
Un capteur spécifique ciblé sur un gaz déterminé peut être éventuellement développé pour contrôler la présence de ce gaz dans la zone de stérilisation et donc indirectement l'efficacité du gaz stérilisant. Cependant de tels capteurs spécifiques ont un coût élevé et ils ne peuvent contrôler qu'une partie de ce gaz stérilisant.
Il est aussi possible de réaliser une analyse chimique à spectre large dans la décharge ou en sortie de source de plasma, ce qui demande un appareillage complexe et coûteux, tels qu'un spectromètre de masse (MS) ou un chromatographe en phase gazeuse (GC), comme décrit dans l'article de Zoran Falkenstein « Ozone Formation with (V)UV-Enhanced Dielectric Barrier Discharges in Dry and Humid Gaz Mixtures of02, N2/02, and Ar/02 » publié dans la revue « Ozone Science And Engineering, Vol 21, 1999, p.583-603». Mais, la lenteur de mesure de ces appareils limite considérablement leur exploitation.
Il est également possible de réaliser une acquisition rapide du signal électrique traversant la source et d'intégrer le signal moyen, mais cela nécessite des systèmes d'acquisition et de calculs particulièrement rapides et donc coûteux. En effet, les signaux utiles à analyser sont de l'ordre de quelques nanosecondes, et nécessitent des cartes d'acquisition et d'analyse de débit dont l'échantillonnage est supérieur à 500 MHz, comme l'expose l'article de O.Motret, C.Hibert, M.Nikravech, I.Gaurand, RNiladrosa, J.M.PouvesIe, « The Dependence of Ozone Génération Efficiency on Parameter Adjustment in a Triggered Dielectric Barrier Discharge » publié dans la revue « Ozone Science And Engineering, Vol 20, 1998, p.51-66».
Objet et description de l'invention
La présente invention a pour objet un système de génération de plasma qui permette par une mesure simple et économique cette garantie d'efficacité du gaz stérilisant.
Selon l'invention, il est proposé un système de génération de plasma comportant un générateur de haute tension relié à au moins deux électrodes dont une comporte un fort rayon de courbure (de préférence de géométrie plane) et une autre comporte un faible rayon de courbure, caractérisé en ce que ledit générateur de haute tension est commandé de façon à maintenir constante la fréquence moyenne d'apparition des décharges de courant allant de la au moins une électrode à faible rayon de courbure vers la au moins une électrode à fort rayon de courbure.
Lorsque le générateur de haute tension est un générateur alternatif sinusoïdal ou puisé, le système de génération de plasma comporte avantageusement un isolant diélectrique insérée entre les électrodes. Selon le type de générateur, ledit générateur de haute tension peut comporter un transformateur à fort gain piloté par un transistor fonctionnant en commutation sous la commande d'un générateur de signaux basse tension de fréquence fixe déterminée et de rapport cyclique variable (cas d'un générateur à haute tension alternative sinusoïdale) ou bien il peut comporter un hacheur haute tension distribuant alternativement une haute tension continue positive et une haute tension continue négative à la au moins une électrode à faible rayon de courbure sous la commande d'un générateur de signaux basse tension de fréquence fixe déterminée et de rapport cyclique variable, (cas d'un générateur à haute tension puisée).
Si le générateur est un générateur à haute tension continue, il peut comporter un montage redresseur disposé en sortie d'un transformateur à fort gain piloté par un transistor fonctionnant en commutation sous la commande d'un générateur de signaux basse tension de fréquence fixe déterminée et de rapport cyclique variable.
Selon le mode de réalisation envisagé, pour mesurer un signal représentatif des décharges de courant allant de la au moins une électrode à faible rayon de courbure vers la au moins une électrode à fort rayon de courbure, il peut comporter une résistance placée entre un potentiel de masse et la au moins une électrode à fort rayon de courbure ou bien encore un transformateur de courant placé dans le circuit électrique d'alimentation des électrodes.
De préférence, il comporte en outre un filtre passe haut ou passe bande de façon à ne récupérer du signal mesuré que la partie représentative des décharges apparaissant entre les électrodes. Le signal mesuré et filtré est ensuite transformé, sur une période fixe déterminée, par un système de conversion en une tension continue déterminée représentative d'un nombre moyen de décharges électriques et ce nombre moyen de décharges mesuré est régulé par un système de régulation sur une valeur de consigne prédéfinie et correspondant à ladite fréquence moyenne d'apparition des décharges de courant.
L'invention concerne également tout système de stérilisation par plasma en présence d'humidité, à pression atmosphérique et à température ambiante, mettant en oeuvre le système de génération de plasma précité.
Brève description des dessins
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description faite ci-après, à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
. la figure 1 est un schéma de principe d'un ensemble de stérilisation par plasma,
. la figure 2 est un schéma de principe d'un système de génération de plasma selon l'invention mis en œuvre dans l'ensemble de stérilisation de la figure 1,
. la figure 3 est un premier exemple de réalisation du système de génération de plasma de la figure 2 à haute tension alternative,
. la figure 4 montre deux courbes mettant en liaison un nombre moyen de décharges et l'amplitude de la haute tension avec le rapport cyclique d'un générateur de commande basse tension,
. les figures 5a à 5d sont des oscillogrammes représentant des mesures électriques réalisées en des points particuliers du système de la figure 3, . la figure 6 illustre une variante de réalisation du système de mesure du courant à partir d'un transformateur de courant,
. la figure 7 montre une première variante de réalisation du système de génération de plasma de la figure 2 dans laquelle la haute tension est continue, . la figure 8 montre une seconde variante de réalisation du système de génération de plasma de la figure 2 dans laquelle la haute tension est puisée,
. les figures 9a à 9c sont des oscillogrammes représentant des mesures électriques réalisées en des points particuliers du système de la figure 8, et
. la figure 10 est diagramme représentant la distribution de la quantité de charge dans le temps dans le système de génération de plasma de l'invention.
Description détaillée de modes de réalisation La figure 1 illustre un schéma de principe d'un système de stérilisation par plasma. Dans un tel système, une source de gaz non biocide 10 injecte du gaz non biocide dans un système de génération de plasma 12 qui génère un plasma biocide à partir du gaz non biocide et injecte le gaz biocide stérilisant ainsi formé dans une zone de traitement 14 comportant le ou les objets à stériliser 16. Le gaz sortant de cette zone est rejeté à l'extérieur de préférence après passage par un système 18 de filtration des résidus nocifs. La zone de traitement est étanche et soumise à température et pression ambiante. Le gaz biocide contenu dans la zone de traitement doit contenir un taux d'humidité relative supérieure à 50 %. Ceci peut être fait soit par humidification du gaz non biocide lors de sa génération, soit directement par injection d'un gaz humide (avantageusement le même gaz non biocide) au niveau de la zone de traitement. Le système de génération de plasma 12 peut (pour tout ou partie) être ou non séparé de la zone de traitement 14.
Dans un tel système de stérilisation par plasma, illustré par exemple par la demande de brevet internationale citée en préambule, pour produire le gaz stérilisant, il faut créer des décharges entre des électrodes, sans toutefois atteindre le régime de l'arc électrique. Cette production de décharges est l'objet d'un générateur de plasma qui applique une haute tension entre les électrodes et dont le rôle est aussi de garantir la qualité du gaz stérilisant issu de ces décharges. Or, l'usure naturelle des électrodes et les variations, même faibles, de géométries d'une électrode à l'autre, peuvent entraîner de fortes variations d'efficacité de la stérilisation. Pour garantir une efficacité constante, il importe donc d'asservir le générateur de plasma sur un paramètre indépendant de ces phénomènes et non, par exemple, sur l'amplitude de la haute tension appliquée entre les électrodes qui s'avère ne pas être un bon paramètre de régulation.
C'est pourquoi, les inventeurs proposent d'asservir le générateur de plasma sur la quantité d'énergie transmise au gaz lors des décharges inter-électrodes. Toutefois, la mesure directe de cette quantité d'énergie n'étant pas aisée, les inventeurs proposent de recourir au dénombrement des décharges de courant parcourant le circuit d'alimentation des électrodes sur une période de durée largement supérieure au temps moyen entre deux décharges électriques.
En effet, la valeur moyenne des charges électriques de l'ensemble des décharges électriques apparaissant entre les électrodes pendant un temps donné est constante. De plus, à amplitude de tension inter- électrodes constante, l'apparition de ces décharges est régulière dans le temps. Cette constatation est illustrée par des résultats expérimentaux de mesures de la distribution de la quantité de charge traversant l'espace inter-électrodes effectuées par les inventeurs sur un système de stérilisation prototype, et représentées sur le diagramme de la figure 10.
L'essai a été réalisé sur 70 décharges, soit sur une durée de 500μs lors de notre expérience. On constate qu'il y a une majorité de décharges de courant contenues entre 0.30 nC et 0.60 nC.
On peut alors en déduire que le dénombrement de ces décharges de courant sur une période de durée largement supérieure au temps moyen entre deux décharges est suffisant pour évaluer la charge totale qui a traversé l'espace inter-électrode pendant cette même période, et donc l'énergie transférée au gaz pendant cette période. En effet, l'égalité suivante s'applique :
= Nb * Cm
Q : Charge totale des décharges par unité de temps. Nb : nombre de décharges par unité de temps. Cm : Charge moyenne d'une décharge.
Pour illustrer ce qui précède, le tableau suivant donne le comportement stérilisateur d'un système de stérilisation prototype fonctionnant selon le principe de l'invention, pour le cas de stérilisation de spores de Bacil/us subti/is. L'indice « nombre de décharges » correspond à la moyenne du nombre de décharges par période du signal haute tension alternatif appliqué entre les électrodes et l'efficacité est donnée en temps de réduction décimale, à savoir le temps nécessaire pour diviser une population de spores par 10.
Ces résultats sont donnés pour différentes configurations de fonctionnement du système de stérilisation :
Configuration 1 : débit de gaz = 2 l/min, distance inter-électrodes 2 mm.
Configuration 2 : débit de gaz = 8 l/min, distance inter-électrodes 2 mm.
Configuration 3 : débit de gaz = 4 l/min, distance inter-électrodes 0.6 mm.
On constate donc que sur chaque configuration, la rapidité de stérilisation augmente avec le nombre de décharges. On notera également que ces mesures qui ont fait l'objet de plusieurs essais successifs ont fait apparaître une reproductibilité acceptable d'un essai à l'autre.
Une vue schématique d'un système de génération de plasma mettant en œuvre le principe ci-dessus est donnée à la figure 2. Il est organisé autour d'un générateur haute tension 20 qui alimente au travers de deux conducteurs électriques 22, 24 deux électrodes, ayant chacune un rayon de courbure très différent, pour produire entre elles une décharge électrique dite décharge « couronne ». L'électrode à faible rayon de courbure 26 est typiquement un fil ou une lame munie de pointes et l'électrode à fort rayon de courbure 28 une surface plane.
Lorsque le générateur est un générateur alternatif sinusoïdal ou puisé et qu'un isolant diélectrique 30 est inséré entre les deux électrodes (par exemple, s'il recouvre l'électrode plane comme illustré) on parle de décharge plasma de type DBD (Décharge à Barrière Diélectrique). Cette configuration de décharge plasma permet notamment de retarder le passage à l'arc électrique et d'accroître le transfert d'énergie au gaz par rapport à une configuration sans isolant mettant en œuvre un générateur continu (une telle configuration est illustrée à la figure 7). Un système de mesure de courant 32 est monté en série avec le conducteur électrique 24 sur le trajet de la haute tension. Le courant mesuré, ou la tension équivalente, est transformé, sur une période fixe déterminée, par un système de conversion 34 en un nombre moyen de décharges électriques. Un système de régulation 36 élabore alors un signal de commande du générateur de tension 20 de façon à maintenir ce nombre moyen de décharges mesuré au plus proche d'une valeur de consigne 38 définie par l'utilisateur et correspondant à une fréquence d'apparition de décharge souhaitée.
On a ainsi réalisé une boucle de régulation ajustant l'amplitude de la haute tension de façon à garder constante la fréquence moyenne d'apparition des décharges de courant. Si la tension en entrée du régulateur est supérieure à la tension de consigne 38, cela signifie que la fréquence moyenne d'apparition des décharges est trop importante, et la tension de sortie du régulateur diminue alors linéairement jusqu'à ce que la tension d'entrée et la tension de consigne soient égales. Dans le cas contraire, ou la tension d'entrée est inférieure à la tension de consigne, cela signifie que la fréquence moyenne d'apparition des décharges est trop faible, et la tension de sortie du régulateur augmente linéairement jusqu'à ce que ces deux tensions soient à nouveau égales. Une telle mise en œuvre est particulièrement appropriée car on constate que le nombre moyen de décharges sur un temps donné peut être contrôlé en agissant sur l'amplitude de la haute tension appliquée entre les électrodes, le contrôle étant réalisé selon la loi : Augmentation de l'amplitude de la haute tension -> augmentation du nombre de décharges, diminution de l'amplitude de la haute tension -> diminution du nombre de décharges.
Un exemple de réalisation préférentielle du système de génération de plasma à partir d'une haute tension alternative sinusoïdale est illustré en détail à la figure 3. Le générateur de haute tension alternative 20 est constitué d'un transformateur 40, typiquement de gain important, piloté par un transistor 42 fonctionnant en commutation. Le signal de commande 44 du transistor est élaboré par un générateur de signaux rectangulaires 46 de fréquence fixe et de rapport cyclique variable. La fréquence fixe de ce générateur est calculée pour coïncider avec la fréquence de résonance de l'ensemble transformateur/source plasma. Le rapport cyclique du générateur de signaux est commandé par le signal de sortie du système de régulation 36.
Le système 32 de mesure du courant traversant l'espace interélectrodes est constitué par une simple résistance 48 aux bornes de laquelle on vient prélever une tension proportionnelle au courant qui constitue le signal d'entrée du système de conversion. Ce système de conversion 34 comporte un filtre passe haut 50 pour retirer toute composante basse fréquence de ce signal d'entrée et ne garder que les composantes hautes fréquences résultant des décharges entre les électrodes. On notera, qu'il est aussi possible d'utiliser un filtre passe bande plus ou moins sélectif, de façon à ne récupérer que les composantes utiles du signal, et en particulier de façon à retirer les différents parasites et perturbations pouvant apparaître.
Le signal résultant en sortie du filtre passe ensuite par un comparateur 52 qui détecte le franchissement d'un seuil variable prédéterminé, défini par un potentiomètre de seuil 54, et délivre sous une forme logique les décharges de courant dépassant ce seuil. Ce signal logique est injecté dans un compteur binaire (ou fréquencemètre 56) synchronisé sur le signal 44 de commande du transistor et qui va mémoriser sous la forme d'une tension continue (via un échantillonneur- bloqueur) une valeur de comptage par période de mesure. La synchronisation est réalisée de façon à calculer une fréquence moyenne d'apparition des décharges sur une période fixe déterminée correspondant à un multiple (par exemple 16 fois) de la période du signal de commande. La tension de sortie du fréquencemètre, représentative de la fréquence d'apparition des décharges, est introduite dans le système de régulation 36 constitué par un comparateur 58 qui compare la tension de sortie avec une tension de consigne donnée par un potentiomètre d'ajustement de consigne 60. La sortie du comparateur sert de commande pour le pilotage du rapport cyclique du générateur de signaux rectangulaires 46 et donc pour l'ajustement de la haute tension au niveau du transformateur 40 (via le transistor de commutation 42).
La commande du rapport cyclique en fonction de ce signal de commande, qui sert à ajuster l'amplitude de la haute tension, est linéaire comme l'illustre la courbe 62 de la figure 4. Ce signal est minimum pour un rapport cyclique de 0 % et maximum pour un rapport cyclique de 100 %. En outre, on peut constater avec la courbe 64 qui donne la relation existant entre le rapport cyclique et le nombre de décharges moyen par cycle du signal apparaissant entre les électrodes, que le gain en boucle ouverte du régulateur est important, ce qui montre l'intérêt de réguler sur le nombre moyen de décharges et non sur l'amplitude de la haute tension.
Le fonctionnement du système de génération de plasma sera maintenant explicité en regard des figures 5a à 5d qui montrent les évolutions des tensions et courants dans ce générateur pour différents rapports cycliques du signal de commande.
Sur les oscillogrammes de la figure 5a, le signal de commande 44 du transistor 42 présente un rapport cyclique fixé à 25 %. Le courant induit au travers du primaire du transformateur 40 suit classiquement la loi de comportement d'une inductance : U = - L di/dt et on observe donc sur la sortie 70 du transistor une progression linéaire du courant lorsque le transistor est saturé puis, lorsque le signal de commande 44 revient à une tension nulle, le transistor passant dans un état bloqué, une chute brutale de ce courant à une valeur nulle. Cette chute brutale induit à son tour une élévation importante de tension sur la sortie 70 du transistor qui peut atteindre les 100V pour une alimentation de quelques dizaines de volts (30v par exemple). Ce pic de tension sur le primaire du transformateur induit une haute tension sur la sortie 72 du secondaire qui, dans les conditions précitées et selon le gain du transformateur, peut atteindre 5 kV crête à crête.
On remarque enfin, que le fait d'avoir choisi pour le signal de commande 44 une fréquence égale à la fréquence de résonance de l'ensemble transformateur/source plasma permet d'avoir un signal de sortie haute tension 72 de forme quasi-sinusoïdale. La mesure de la tension 74 aux bornes de la résistance 48 montre, du fait du comportement capacitif de la source, une sinusoïde décalée de 90° que l'on retrouve, après passage au travers du filtre 50, sur une borne d'entrée 76 du comparateur 52. Toutefois, pour ce rapport cyclique, la tension en sortie du transformateur n'est pas assez élevée pour obtenir des décharges électriques et le comparateur ne détecte rien fournissant une tension nulle à sa sortie 78.
Sur les oscillogrammes de la figure 5b le signal de commande 44 présente un rapport cyclique fixé à 50 %. On voit clairement que le courant (en 70) traversant le primaire du transformateur 40 atteint maintenant des valeurs plus élevées que pour le cas précédent, ainsi que la tension (en 70) sur ce même primaire. Logiquement, la tension de sortie 72 du transformateur atteint une valeur supérieure au cas précédent, en l'espèce 10 kV crête à crête. Dans ce cas, la mesure de la tension aux bornes de la résistance laisse apparaître des décharges électriques prenant la forme de pics de tension. Après filtrage 50, le comparateur 52 dont la valeur de seuil fixée par le potentiomètre 54 est maintenant dépassée, détecte les décharges existantes (soit environ 3 par période dans l'exemple illustré).
Enfin, sur les oscillogrammes de la figure 5c, le signal de commande 44 présente un rapport cyclique fixé à 75 %. Comme précédemment, l'augmentation du rapport cyclique induit une augmentation de la tension de sortie 72 du transformateur 40, par exemple 15 kV crête à crête, et le nombre de décharges détectées par le comparateur 52 est supérieur au précédent et en l'espèce égale à 6 par période par exemple. L'évolution des signaux dans le système de régulation 36, lors de la mise en route du système, est illustré sur les oscillogrammes de la figure 5d. Pour des raisons de lisibilité de ces oscillogrammes, le système de conversion 34 est synchronisé sur le double de la période du signal 44 de commande du transistor. Ainsi, toutes les deux périodes de ce signal de commande, le comptage est remis à jour et donne une valeur moyenne de fréquence d'apparition des décharges sur deux périodes. Le signal de consigne 38, 80 est réglé, à une tension fixe correspondant à une fréquence déterminée d'apparition des décharges (ici environ 6 décharges par période). Le rapport cyclique du signal de commande 44 augmente progressivement, ce qui induit une augmentation du nombre de décharges détectées en sortie 78 du comparateur 52. Le signal 82 de sortie du fréquencemètre 56 augmente alors progressivement par palier, toutes les deux périodes du signal de commande. Tant que le signal de sortie 82 est inférieur à la tension de consigne 80 fournie par le potentiomètre 60, la sortie 84 du régulateur 58 continue d'augmenter, ce qui induit une augmentation du rapport cyclique du signal de commande puis, lorsque ce signal de sortie devient égal à la tension de consigne, la sortie 84 du régulateur se stabilise, et le système est calé au nombre moyen de décharges désiré. Une variante de réalisation du système de génération de plasma est illustré en détail à la figure 6. Dans cette réalisation, le système de mesure de courant 32 n'est plus constitué par une simple résistance mais réalisé sous la forme d'un transformateur de courant. Cette variante présente l'avantage d'isoler les circuits de mesure du circuit de haute tension et de réaliser la mesure où l'on souhaite dans ce circuit de haute tension. Ainsi, la figure 6 reprend l'essentiel des éléments de la figure 3 avec leur numérotation, à l'exception du système de mesure de courant qui est remplacé par un nouvel ensemble de mesure de courant 90. Celui-ci est composé d'une ferrite 92 traversée par le conducteur 22 transportant la haute tension et comprenant un fil 94 enroulé en spires dans la ferrite et servant à prélever une partie du courant. Une des deux extrémités du fil est reliée à la masse tandis que l'autre part vers le filtre 50 du système de conversion 34 dont le fonctionnement reste identique à celui décrit en regard de la figure 3.
De même, les inventeurs ont constaté qu'il était possible d'obtenir un résultat identique avec une alimentation haute tension continue. La figure 7 montre le schéma électronique du système de génération de plasma correspondant. Les éléments identiques à ceux de la figure 3, correspondant à une haute tension alternative, portent les mêmes références. Par rapport à ce premier exemple de réalisation, la source de plasma ne comporte plus le diélectrique 30 utilisable uniquement dans le cas alternatif et la sortie 72 du transformateur 40 passe par un montage redresseur 96, par exemple à doublage de tension, avant de passer par la source. Ce système bien connu permet de transformer une tension alternative de xV crête à crête en une tension continue de valeur 2*x V. Ainsi, la tension 22 appliquée aux bornes de la source est continue et est proportionnelle à l'amplitude de la tension 72 de sortie du transformateur 40. L'électronique de traitement des décharges électriques est par contre identique au cas précédent avec le système de mesure de courant 32, le système de conversion 34 et le système de régulation 36. Une variante de réalisation de l'invention à partir d'une haute tension puisée est illustrée à la figure 8 qui montre un schéma électronique d'une telle réalisation. Les éléments identiques à ceux du montage de la figure 3 portent les mêmes références.
La haute tension est maintenant une haute tension puisée, c'est à dire une haute tension positive VHT+ et une haute tension négative VHT-, de même valeur absolue (5kV par exemple), fournies par un hacheur de haute tension 98 dont la sortie est reliée à l'électrode à faible rayon de courbure 26 par le conducteur 22. Ce hacheur comporte classiquement deux interrupteurs électroniques haute tension (par exemple des optocoupleurs haute tension 100 et 102) pilotés respectivement par le signal de sortie 44 du générateur de signaux basse tension 46, et par ce même signal inversé 104 par une porte logique 106.
Les différents signaux électriques que l'on peut observer sur cette variante de réalisation sont illustrés sur les oscillogrammes des figures 9a à 9c, pour différents cas de rapport cyclique du signal de commande 44. La tension appliquée alternativement sur l'électrode 26 est maintenant soit VHT+ soit VHT, avec un rapport de durées respectives conforme au rapport cyclique du signal de commande 44, la durée du niveau VHT+ déterminant le nombre de décharges susceptibles d'apparaître entre les électrodes. Par exemple, pour une tension VHT+ de 5KV, on constate les correspondances suivantes : Rapport cyclique de 25% -> 2 décharges par alternance.
Rapport cyclique de 50% -> 4 décharges par alternance.
Rapport cyclique de 75% -> 6 décharges par alternance. Comme pour les réalisations précédentes, ces décharges sont relevées aux bornes de la résistance 48 puis leur nombre est convertit en une tension 82 qui est régulée par rapport à la tension de consigne 80 selon le principe explicité précédemment en regard de l'organigramme de la figure 5d.

Claims

Revendications
1. Système de génération de plasma comportant un générateur de haute tension (20) relié à au moins deux électrodes (26, 28) dont une comporte un fort rayon de courbure et une autre comporte un faible rayon de courbure, caractérisé en ce que ledit générateur de haute tension est commandé de façon à maintenir constante la fréquence moyenne d'apparition des décharges de courant allant de la au moins une électrode à faible rayon de courbure (26) vers la au moins une électrode à fort rayon de courbure (28).
2. Système de génération de plasma selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite électrode à fort rayon de courbure est de géométrie plane.
3. Système de génération de plasma selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un isolant diélectrique (30) insérée entre les électrodes et en ce que ledit générateur de haute tension est un générateur alternatif sinusoïdal ou puisé (20).
4. Système de génération de plasma selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit générateur de haute tension comporte un transformateur à fort gain (40) piloté par un transistor (42) fonctionnant en commutation sous la commande d'un générateur de signaux basse tension (46) de fréquence fixe déterminée et de rapport cyclique variable.
5. Système de génération de plasma selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une résistance (48) placée entre un potentiel de masse et la au moins une électrode à fort rayon de courbure pour mesurer une tension représentative des décharges de courant allant de la au moins une électrode à faible rayon de courbure vers la au moins une électrode à fort rayon de courbure.
6. Système de génération de plasma selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un transformateur de courant
(92) placé dans le circuit électrique (22) d'alimentation des électrodes pour mesurer un courant représentatif des décharges de courant allant de la au moins une électrode à faible rayon de courbure vers la au moins une électrode à fort rayon de courbure.
7. Système de génération de plasma selon les revendications 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un filtre passe haut ou passe bande (50), de façon à ne récupérer dudit signal mesuré (74) que la partie représentative des décharges apparaissant entre les électrodes.
8. Système de génération de plasma selon la revendication 7, caractérisé en ce que le signal mesuré et filtré (76) est transformé, sur une période fixe déterminée, par un système de conversion (34) en une tension continue déterminée (82) représentative d'un nombre moyen de décharges électriques.
9. Système de génération de plasma selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit nombre moyen de décharges mesuré est régulé par un système de régulation (36) sur une valeur de consigne (38, 80) prédéfinie et correspondant à ladite fréquence moyenne d'apparition des décharges de courant.
10. Système de génération de plasma selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit générateur de haute tension comporte un hacheur haute tension (98) distribuant alternativement une haute tension continue positive et une haute tension continue négative à la au moins une électrode à faible rayon de courbure (26) sous la commande d'un générateur de signaux basse tension (46) de fréquence fixe déterminée et de rapport cyclique variable.
11. Système de génération de plasma selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le générateur de haute tension est un générateur continu.
12. Système de génération de plasma selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit générateur de haute tension comporte un montage redresseur (96) disposé en sortie d'un transformateur à fort gain (40) piloté par un transistor (42) fonctionnant en commutation sous la commande d'un générateur de signaux basse tension (46) de fréquence fixe déterminée et de rapport cyclique variable.
13. Système de stérilisation par plasma en présence d'humidité, à pression atmosphérique et à température ambiante, comportant un système de génération de plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 12.
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