EP2529602B1 - Vorrichtung und verfahren zur erzeugung einer elektrischen entladung in hohlkörpern - Google Patents

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EP2529602B1
EP2529602B1 EP11705829.7A EP11705829A EP2529602B1 EP 2529602 B1 EP2529602 B1 EP 2529602B1 EP 11705829 A EP11705829 A EP 11705829A EP 2529602 B1 EP2529602 B1 EP 2529602B1
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EP
European Patent Office
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plasma
generation
hose
electrodes
tube
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP11705829.7A
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English (en)
French (fr)
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EP2529602A1 (de
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Joerg Ehlbeck
Klaus-Dieter Weltmann
Manfred Stieber
Joern Winter
Kim Winterweber
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Webeco Hygiene In Medizin und Labor GmbH&Co KG
Leibniz Institut fuer Plasmaforschung und Technologie eV
Xion GmbH
Original Assignee
Webeco Hygiene In Medizin und Labor GmbH&Co KG
Leibniz Institut fuer Plasmaforschung und Technologie eV
Xion GmbH
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Application filed by Webeco Hygiene In Medizin und Labor GmbH&Co KG, Leibniz Institut fuer Plasmaforschung und Technologie eV, Xion GmbH filed Critical Webeco Hygiene In Medizin und Labor GmbH&Co KG
Priority to EP11705829.7A priority Critical patent/EP2529602B1/de
Priority claimed from PCT/EP2011/051035 external-priority patent/WO2011092186A1/de
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    • 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
    • H05H1/2439—Surface discharges, e.g. air flow control
    • 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
    • H05H2245/00—Applications of plasma devices
    • H05H2245/30—Medical applications

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for the uniform production of a physical plasma in long and narrow lumen, flexible or rigid, dielectric hoses, pipes or other hollow bodies (hereinafter referred to as hoses) in the low, normal, or overpressure area, the partially or completely filled or flushed with gas or gas mixtures, one or more liquids, gas-bubble-containing liquids, liquid-gas mixtures, aerosols and / or foam (hereinafter referred to as process medium), for the purpose of cleaning, activation, coating, modification and biological decontamination (sterilization, disinfection, sterilization) of the inner walls of these tubes and / or the process medium itself, and for the purpose of therapeutic use by means of a dielectrically impeded barrier discharge or by means of the resulting by the electrical gas discharge in the process medium therapeutical components.
  • process medium for the purpose of cleaning, activation, coating, modification and biological decontamination (sterilization, disinfection, sterilization) of the inner walls of these tubes and / or the process medium
  • Another method introduces a short needle into the tube, creating a jet-like plasma. By a high gas flow, the plasma can then be driven over a certain distance in the hose. ( Phys. Plasmas 14, 074502 (2007 )) However, in this method, the homogeneity of the plasma over the entire length of the hose is not guaranteed. Furthermore, you also have to work with an additional inner electrode.
  • a method is known in which the tube is guided into a process chamber, wherein a part of the process chamber is under vacuum. 2 electrodes outside the tube generate the electric field inside to generate the plasma. ( EP 0 348 690 A2 ). However, partial vacuum is used in this structure. Furthermore, the process chamber is only suitable for the treatment of uninstalled hoses.
  • a device for dry biological decontamination of inner walls of pipes and other hollow bodies by means of an atmospheric pressure plasma generated by a dielectrically impeded barrier discharge in a flowing gas atmosphere comprising a conductive grounded electrode and an electrically conductive high voltage electrode in the wall of the hose parallel in the axial direction (EP 1 933 605 A1 ).
  • the disadvantage of this device lies in the parallel, axial arrangement of the electrodes, whereby, on the one hand, an inhomogeneous plasma formation within the hollow body is caused and, on the other hand, in the case of a bending of the tube, tensile and shear forces on the electrodes which damage the material occur.
  • the last point makes the implementation of the device described in arrangements in which the maintenance of the flexibility is absolutely necessary (eg endoscope channels) impossible.
  • at least one heating element is helically embedded in a polymer layer.
  • the purpose of the device is to heat up gaseous or liquid media within the tube.
  • the structure shown is not used to generate an electrical discharge.
  • a device is known with which a jetartges plasma can be generated outside a dielectric tube ( Applied Physics Letters 2005, 87, 113902 ).
  • plasma generation inside long tubes is not possible with this device.
  • this device is unsuitable for applications that require both plasma generation methods in one device (plasma in the tube and jet-like plasma at the tube exit).
  • streamer are generated in a liquid or even in gas bubbles surrounded by liquid with a pin-to-plate arrangement. These streamer develop very high temperatures at the foot and are only very limited spatially extended. A coating or decontamination inside thermolabile and narrow lumen is therefore not possible.
  • a device for generating plane pressure waves in liquid-filled tubes by means of plasma for the purpose of cleaning ( DE 23 25 517 ).
  • the plasma is used exclusively for pressure wave generation, so that liquids can not be decontaminated even by means of plasma with the device described.
  • the device does not guarantee the plasma formation over the entire hose length.
  • a known method for the treatment of liquids by means of electrical gas discharge is in the patent DE 44 40 813 C2 described.
  • the cleaning of the liquid takes place in a partially filled with liquid vessel under atmospheric pressure by generating a dielectrically impeded gas discharge in the form of microplasmas in the gas space between the electrode and liquid.
  • the generation of a dielectrically impeded barrier discharge in completely filled with liquid, liquid-gas mixtures, aerosols or foam long narrow hollow bodies is not the subject of the described method. However, this is useful, for example, for the cleaning of narrow long lumens.
  • the specified method does not claim to clean, activate, coat, modify and biological decontamination (sterilization, disinfection, sterilization) of the inner walls of hoses.
  • the patent DE601 03 997T2 ( EP 1 276 697 B1 ) relates to a method for fixing a first fluid in a second fluid using a corona discharge generated by means of very high DC voltages in the range of 50 kV.
  • Another device operates with a large plasma chamber, on the wall of a liquid film is applied, which then by means of a sheet charge is plasma treated. To ignite this arc charge a high power is required, which at the same time creates a very high temperature of the arc. For the treatment of thermolabile products this discharge is excluded. Furthermore, the structure of the device is unsuitable for the above purpose.
  • the object of the present invention is to overcome the disadvantages of the technical solutions described above.
  • the structure of the hoses has been changed so that no additional electrodes outside and inside the hoses are more needed to produce a homogeneous over the entire length of the hoses physical plasma, without causing changes in physical, chemical or mechanical properties, as well the functionality of the hoses occur.
  • the device represents, in particular, a simple and cost-effective change in the construction of such tubes. At the same time, this results in only minor changes for finished medical products containing such tubes.
  • the invention ensures the simplest possible generation of physical plasmas in the tubes in complex medical devices, so that disassembly of the devices or other special devices are not needed.
  • the tube walls are provided with a plurality of spirally and preferably equidistantly around the tube extending metallic conductors (hereinafter referred to as electrodes), wherein the electrodes are located within the tube wall.
  • electrodes metallic conductors
  • the electrodes are wound onto an inner tube, fixed with special adhesives, after which an outer tube is shrunk.
  • Other possibilities include the embedding of the electrodes in a single tube or in the application of electrical conductors by special etching or coating processes.
  • the so produced Hoses can have an inside diameter of a few cm down to 1 mm and smaller and a length of several meters.
  • the material of the electrodes must necessarily be electrically conductive, wherein the material of the inner or outer tube must have dielectric properties and preferably has a thickness of 10 microns to 5 mm.
  • the electrodes may be present as a wire with a diameter of preferably 10 ⁇ m up to 2 mm.
  • other cross-sectional geometries can be used (eg rectangular wire cross sections with a thickness of typically 10 ⁇ m to 500 ⁇ m and a width of preferably 0.1 mm to 2 mm).
  • the distance between the electrodes and the insulating material located therebetween must be chosen so that when a high voltage is applied, the resulting field strength between the electrodes is less than the dielectric strength of the insulating material.
  • the number of electrodes is greater than or equal to 2, with each second electrode preferably being at the same potential. Adjacent electrodes are controlled separately, so that one of the electrodes is at ground potential and the adjacent electrode is driven with an alternating voltage, preferably in the kHz range. According to the invention, an electrical field is generated by the structure between the electrodes and a physical plasma is generated when the ignition field strength is exceeded.
  • different discharge modes can be generated. Thus, volume and surface discharge as well as filamentous and diffuse discharge modes, depending on the task are adjustable.
  • the electrodes are pulled axially in the tube wall.
  • Another embodiment of this device can be realized via a braid inside the tube wall.
  • the braid consists of non-conductive material, which is typically also used in the construction of such tubes for example endoscopes. In this braid then continuously and preferably equidistant electrical conductors are woven, which then extend over the entire length of the hose.
  • the electrodes are introduced into the tube wall and externally wound around the tube a precise wire mesh.
  • the electrodes inside the wall are driven with the AC voltage, while the Grid is at ground potential. This forms a surface discharge inside the hose.
  • the process medium is not introduced into the interior of the tube, but applied externally, whereby a physical plasma can be generated on the outer wall of the tube.
  • dielectric bodies and / or dielectric liquid drops such as, for example, glass beads and / or oil drops, but in particular balls with a diameter greater than 100 ⁇ m and smaller than the inner diameter of the hose, are introduced into the hose alone or together with the process medium.
  • the device includes a high voltage supply whose frequency range is in kilohertz to megahertz and provides the voltage required to generate the atmospheric pressure discharge in the range of 1-25 kV, a dielectric tube whose diameter is preferably in the range of ⁇ m to mm and its length of can be varied from a few centimeters to several meters, and electrically conductive electrodes in the entire tube wall, which can be of any desired shape and can have a diameter in the range of ⁇ m up to several mm.
  • Fig. 1 and Fig. 2 show the basic structure of the device with 2 round, spirally around the inner tube (4) rotated electrodes, one of them to ground potential (1), the other (2) to an AC voltage.
  • the gas supply (7) via a gas connection with a gas nozzle.
  • the electrodes can be present in different arrangements and number, as in Fig. 3 and 4 shown as a network in which the electrodes are woven into a plastic mesh, or as in Fig. 5 shown as parallel wires in the axial direction. The number of electrodes is variable.
  • Inner and outer hose are identical in all arrangements and serve as a dielectric.
  • Fig. 7 shows a further embodiment of the tube, has been dispensed with a grounded electrode in the tube wall, instead, the electrical shield or kinking stiffening outside the tube is used as a ground electrode. As a result, a surface discharge is formed inside the tube.
  • the shield is also built into the hose wall.
  • Fig. 9 shows a further embodiment in which in the hose dielectric body and / or dielectric liquid droplets, such as glass beads and / or oil drops, but especially spheres with a diameter greater than 100 microns and smaller than the inner diameter of the tube, alone or together with the process medium be introduced.
  • a dielectric liquid droplets such as glass beads and / or oil drops
  • the high voltage electrode is driven in all embodiments with a voltage in the kilovolt range and a frequency of a few kilohertz up to megahertz with a sine, square or triangle signal.
  • a voltage in the kilovolt range and a frequency of a few kilohertz up to megahertz with a sine, square or triangle signal In this case, the most different duty cycles and edge steepnesses can be used, with special pulse or burst voltages for some processes can represent a particular advantage.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur gleichmäßigen Erzeugung eines physikalischen Plasmas in langen und gleichzeitig engen Lumen, flexiblen oder starren, dielektrischen Schläuchen, Rohren oder anderen Hohlkörpern (im Folgenden als Schläuche bezeichnet) im Nieder-, Normal-, oder Überdruckbereich, die teilweise oder vollständig mit Gas oder Gasgemischen, einer oder mehreren Flüssigkeiten, gasblasenenthaltenden Flüssigkeiten, Flüssigkeits-Gas-Gemischen, Aerosolen und/oder Schaum (im Folgenden als Prozessmedium bezeichnet) gefüllt oder durchspült sind, zum Zweck der Reinigung, Aktivierung, Beschichtung, Modifizierung und biologischen Dekontamination (Entkeimung, Desinfektion, Sterilisation) der Innenwände dieser Schläuche und/oder des Prozessmediums selbst, sowie zum Zweck der therapeutischen Anwendung mittels einer dielektrisch behinderten Barriereentladung oder mittels der durch die elektrische Gasentladung im Prozessmedium entstandenen therapeutischen Komponenten.
    • Technischer Hintergrund
  • Für eine Vielzahl von Anwendungen, speziell im Bereich der Biomaterialien für medizinische Geräte, ist es nötig, die Innenwände von langen und gleichzeitig dünnen Schläuchen, die aus einem dielektrischen Material bestehen, zu modifizieren. Dazu zählen Reinigung, Aktivierung, Beschichtung, Modifizierung und biologische Dekontamination. Typischerweise können diese Modifikationen nicht während der Herstellung der Materialien durchgeführt werden, in vielen Bereichen und abhängig vom Anwendungsgebiet muss die Modifikation nach erfolgtem Fertigungsprozess auch regelmäßig erneuert werden. Physikalische Plasmen bieten für diese Art der Anwendung eine Vielzahl von Vorteilen. Die so erzeugten Modifikationen sind homogen über die Oberfläche verteilt, sehr dünn (nm-Bereich), stark anhaftend und verändern die Zusammensetzung und die Eigenschaften des Grundmaterials nur sehr gering. Die unterschiedlichen Modifikationen können durch geeignete Wahl des Prozessmediums und der physikalischen Parametern des Plasmas erreicht werden. Aus Kostengründen und für eine einfache Integration in vorhandene Prozessschritte, sollten die Modifikationen durch ein physikalisches Plasma möglichst unter Normaldruck stattfinden. Bisher erweist sich jedoch die Erzeugung eines über die Länge des Schlauches homogenen Plasmas unter Normaldruck bei großer Variabilität des Parameterbereichs und großem Aspektverhältnis der Schläuche als sehr schwierig. Speziell bei komplexen Medizinprodukten, wie zum Beispiel Endoskopen, gestaltet es sich schwierig elektrische Felder von außerhalb des Endoskops ins Innere der Arbeitskanäle einzukoppeln, um damit ein physikalisches Plasma zu zünden. Es ist auf Anwenderseite auch nachteilig, Elektroden zur Einkopplung der Leistung für das Plasma in die Arbeitskanäle einzubringen, da die Oberflächen der Kanäle beschädigt werden könnten.
    • Stand der Technik
  • Vorrichtungen und Verfahren zur Erzeugung physikalischer Plasmen im Inneren von mit Prozessmedium gefüllten Schläuchen werden in zahlreichen Druckschriften beschrieben. Die hier angeführten technischen Lösungen sind aber mindestens mit einem oder mehreren der folgenden Nachteile verbunden:
    • ➢ die Vorrichtung funktioniert nur mit Schläuchen im Rohzustand und nicht im verbauten Zustand
    • ➢ Die Vorrichtung benötigt spezielle Innenelektroden
    • ➢ Die Vorrichtung benötigt spezielle Außenelektroden
    • ➢ Die Vorrichtung funktioniert nicht bei Normaldruck
    • ➢ Die Vorrichtung weist hohe Unterhaltskosten durch z.B. hohe Gasflüsse auf
    • ➢ Die Vorrichtung ist in der Behandlungsstrecke begrenzt
    • ➢ Die Vorrichtung kann eine über die Länge des Schlauches homogene Behandlung nicht gewährleisten
    • ➢ Die Vorrichtung ist auf Edelgase beschränkt, wodurch das Einsatzgebiet beschränkt wird
    • ➢ Die Vorrichtung ist nicht geeignet thermolabile Materialien zu bearbeiten
    • ➢ Die biologische Dekontamination wird mit aggressiven Medien durchgeführt was Materialschädigungen mit sich führt
  • Es existiert ein Verfahren, bei dem ein langer und dünner Schlauch durch ein von auβen erzeugtes Feld geführt wird. Dabei wird die Feldstärke groß genug, um ein physikalisches Plasma im Inneren des Schlauches zu zünden ( DE 69 502 185 T2 = EP 0 745 149 B1 ). Dieses Verfahren ist jedoch nur für unverbaute Schläuche nutzbar. Bei zum Beispiel handelsüblichen Endoskopen wäre dieses Verfahren nicht einsetzbar.
  • Ein weiteres Verfahren führt eine kurze Nadel in den Schlauch ein, wodurch ein jetartiges Plasma erzeugt wird. Durch einen hohen Gasfluss kann das Plasma dann über eine gewisse Strecke im Schlauch voran getrieben werden. (Phys. Plasmas 14, 074502 (2007)) Jedoch ist bei diesem Verfahren die Homogenität des Plasmas über die gesamte Länge des Schlauches nicht gewährleistet. Weiterhin muss auch hier mit einer zusätzlichen inneren Elektrode gearbeitet werden.
  • Bekannt ist ein Verfahren, bei dem der Schlauch in eine Prozesskammer geführt wird, wobei ein Teil der Prozesskammer unter Vakuum steht. 2 Elektroden außerhalb des Schlauches erzeugen das elektrische Feld im Inneren zur Generierung des Plasmas. ( EP 0 348 690 A2 ). Jedoch wird bei diesem Aufbau teilweise Vakuum genutzt. Weiterhin ist die Prozesskammer nur für die Behandlung von unverbauten Schläuchen geeignet.
  • Ein weiterer Aufbau wird über eine Innenelektrode im Schlauch und einer Außenelektrode unterhalb des Schlauches realisiert. (Plasma Process. Polym. 2008, 5, 606-614) Das physikalische Plasma wird daher nur zwischen den Elektroden erzeugt und füllt nicht das gesamte Volumen des Schlauches aus. Weiterhin werden auch bei diesem Aufbau zusätzliche Elektroden benötigt, was den Einsatz bei fertigen Medizinprodukten einschränkt.
  • Bekannt ist eine Vorrichtung zur trockenen biologischen Dekontamination von Innenwänden von Rohren und anderen Hohlkörpern mittels eines, durch eine dielektrisch behinderte Barriereentladung in einer strömenden Gasatmosphäre erzeugten Atmosphärendruckplasmas, umfassend eine leitende geerdete Elektrode, sowie eine elektrisch leitende Hochspannungselektrode in der Wand des Schlauches, wobei die Elektroden parallel in axialer Richtung verlaufen ( EP 1 933 605 A1 ). Der Nachteil dieser Vorrichtung liegt in der parallelen, axialen Anordnung der Elektroden, wodurch zum einen eine inhomogene Plasmaausbildung innerhalb des Hohlkörpers bedingt ist und zum anderen im Falle einer Biegung des Schlauchs materialschädigende Zug- und Schubkräfte an den Elektroden auftreten. Speziell der letzte Punkt macht die Implementierung der beschriebenen Vorrichtung in Anordnungen bei denen die Beibehaltung der Biegsamkeit zwingend erforderlich ist (z.B. Endoskopkanäle) unmöglich.
  • Es ist eine Vorrichtung zur Heizung von flexiblen Kunststoffschläuchen bekannt ( WO 2008/005829 A2 ). Hierbei wird mindestens ein Heizelement schraubenartig in eine Polymerschicht eingebettet. Der Zweck der Vorrichtung ist die Aufheizung gasförmiger oder flüssiger Medien innerhalb des Schlauchs. Der dargestellte Aufbau wird dabei nicht zur Erzeugung einer elektrischen Entladung verwendet.
  • Ferner wurde ein Verfahren entwickelt, bei dem in das Innere eines Schlauches eine kurze zylinderförmige Elektrode eingebracht wird, die Gegenelektrode befindet sich außerhalb des Schlauches. ( JP 2002337210 ) Auch bei diesem Aufbau werden zusätzliche Elektroden innerhalb und außerhalb der Schläuche benötigt, was den Einsatz bei komplexen Medizinprodukten, wie zum Beispiel Endoskope, unmöglich macht.
  • Es existiert ein Verfahren, bei dem ein langer Schlauch in den zu behandelnden Schlauch geschoben wird. Am Ende des eingeführten Schlauches befindet sich ein Kopf, welcher mit 2 Elektroden versehen ist, so dass ein physikalisches Plasma erzeugt werden kann. Durch Rotation und axiale Verschiebung des eingeführten Schlauches kann die Innenwand des zu behandelnden Schlauches variabel modifiziert werden ( JP7169406 A ). Auch bei diesem Aufbau wird etwas in den Schlauch eingeführt, was im speziellen Fall unhandlich ist. Weiterhin ist nur durch eine komplizierte Steuerung eine homogene Modifikation der Innenwand der Schläuche gewährleistet. Ferner ergibt sich durch die punktuelle Wirkung eine für praktische Anwendungen zu geringe Flächenleistung.
  • Bekannt ist ein Verfahren, bei dem 2 ringförmige Außenelektroden in einem bestimmten Abstand voneinander um den Schlauch positioniert werden. Das jetartige Plasma brennt dann zwischen den beiden Elektroden. ( JP62195028 A ) Dieser Aufbau wird ebenfalls mit Außenelektroden realisiert, was eine Anwendung bei gewissen Medizinprodukten unmöglich gestaltet.
  • Es ist eine Vorrichtung bekannt, mit der sich ein jetartges Plasma außerhalb einer dielektrischen Röhre erzeugen lässt (Applied Physics Letters 2005, 87, 113902). Allerdings ist die Plasmaerzeugung im Inneren langer Schläuche mit dieser Vorrichtung nicht möglich. Für Anwendungen, die beide Plasmaerzeugungsmethoden in einem Gerät benötigen (Plasma im Schlauch und jetartigen Plasma am Schlauchausgang), ist diese Vorrichtung ungeeignet.
  • In einer Veröffentlichung wird im Inneren von Glasröhrchen ein Plasma gezündet. Dazu wird eine dünne Innenelektrode in das Röhrchen eingeführt. Die Gegenelektrode bildet Silberfolie, welche außerhalb des Röhrchens angebracht wurde. (Plasma Process. Polym. 2008, 5, 269-274) Auch dieses Verfahren benötigt eine Außen- und Innenelektrode und ist somit für den Einsatz bei komplexen Medizinprodukten ungeeignet.
  • Weiterhin wird in einer Veröffentlichung eine Korona-Afterglow-Entladung mit Stickstoff erzeugt. Das Afterglow-Plasma wird dann mit hohen Flussraten in den Schlauch geleitet, so dass über eine gewisse Strecke ein Plasma im Inneren des Schlauches vorhanden ist. (Plasma Process. Polym. 2008, 5, 559-568). Jedoch kann mit diesem Aufbau keine homogene Modifikation gewährleistet werden, da die Intensität der Afterglow-Entladung kontinuierlich nachlässt. Weiterhin sind solch hohe Gasflüsse für technische Anwendungen unrentabel.
  • Ein weiterer Aufbau wird in (Plasma Process. Polym. 2008, 5, 14-25) angeführt. Dabei werden 2 geerdete Elektroden parallel zueinander aufgebaut. In gleichem Abstand zu beiden befindet sich in der Mitte die Hochspannungselektrode ebenfalls in Plattenform. Jeweils oberhalb und unterhalb der Hochspannungselektrode kann der zu modifizierende Schlauch eingeführt werden, so dass ein Plasma innerhalb des Schlauches gezündet wird. Auch dieser Aufbau wird mit zusätzlichen Elektroden innerhalb und außerhalb des Schlauches realisiert. Er ist damit für komplexe Medizinprodukte ungeeignet.
  • Eine weitere Möglichkeit wird in ( WO 2009/050240 A1 ) gezeigt. Hier wird am Anfang des Schlauches mittels hoher Flussgeschwindigkeit und einer Hochspannungsentladung eine sich sehr schnell fortbewegende Ionisationswelle erzeugt. Diese Welle wird in den Schlauch geleitet und es entsteht ein Plasmaball, welcher entlang des Schlauches propagiert. Diese Art der Plasmaerzeugung wurde aber nur bei Helium beobachtet. Es wird die Möglichkeit offen gehalten, an bestimmter Stelle im Schlauch noch zusätzliche Precursoren mit einzubringen, so dass weitere Funktionalisierungen möglich sind. Jedoch sorgt die Beimischung von anderen Gasen für einen schnelleren Energieverlust des Plasmaballs, wodurch keine homogene Behandlung über die gesamte Länge des Schlauches mehr gewährleistet ist. Weiterhin ist im Fall von zum Beispiel Endoskopen eine Beimischung der Gase nur beim Eingang des Schlauches möglich. Kombiniert mit der stark verringerten Reichweite des Plasmaballs ist in diesem Fall keine homogene Behandlung über die gesamte Endoskoplänge möglich.
  • In einer Veröffentlichung wird ein elektrischer Durchbruch in einer Flüssigkeit untersucht. Dabei haben die Elektroden einen Abstand von bis zu 1 mm. Es wird dadurch eine Art Bogenentladung gezündet, welche einerseits nur eine sehr geringe räumliche Ausdehnung besitzt und außerdem an den Fußpunkten eine hohe thermische Belastung für die Materialien darstellt. Für die Plasmaerzeugung in thermolabilen Schläuchen ist dieser Aufbau daher ungeeignet. Plasma Sources Sci. Technol. 17 (2008) 024010 (10pp )
  • In einer anderen Veröffentlichung werden mit einer pin-to-plate Anordnung Streamer in Flüssigkeiten oder auch in von Flüssigkeit umgebenen Gasblasen erzeugt. Diese Streamer entwickeln an den Fußpunkten sehr hohe Temperaturen und sind nur sehr beschränkt räumlich ausgedehnt. Eine Beschichtung oder Dekontamination im Inneren von thermolabilen und engen Lumen ist damit nicht möglich. Plasma Sources Sci. Technol. 17 (2008) 024021 (7pp )
  • Eine weitere Veröffentlichung zeigt die Erzeugung eines Plasmas in Flüssigkeiten über einen Abstand von 16 cm, erzeugt durch eine im ns-Bereich gepulste Wechselspannung. Die Anordnung ist aber speziell für die Dekontamination (Radikalerzeugung) von Flüssigkeiten im Volumen entwickelt worden. Behandlungen von Oberflächen sind mit diesem Aufbau grundsätzlich nicht möglich. Plasma Sources Sci. Technol. 16 (2007) 273-280
  • In einer anderen Veröffentlichung wird ein prinzipieller Aufbau dargestellt, mit dem die Erzeugung einer elektrischen Entladung in einer Gasblase grundsätzlich möglich ist und für wissenschaftliche Zwecke untersucht werden kann. Jedoch ist dieser Aufbau für die Plasmamodifikation und -dekontamination von Materialien in Flüssigkeiten ungeeignet. J. Phys. D: Appl. Phys. 41 (2008) 194007 (4pp)
  • Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung von Gasplasmen in Flüssigkeiten wird in Plasma ( Sources Sci. Technol. 17 (2008) 025006 (6pp )) gezeigt. Dazu wird um ein Vinylröhrchen spiralförmig eine Außenelektrode befestigt und als Gegenelektrode im Zentrum des Röhrchens ein Metallstab eingeführt. Anschließend wird Wasser mit Argonbläschen durch das Röhrchen geleitet. Durch Anlegung einer geeigneten Hochspannung zündet dann in der Argonblase ein Plasma. Diese Vorrichtung arbeitet jedoch mit einer Innenelektrode, was im praktischen Einsatz nicht gewünscht ist. Weiterhin füllt die Argonblase nicht den gesamten Durchmesser des Röhrchens aus, wodurch eine gleichmäßige Behandlung der Oberfläche nicht gegeben ist.
  • Es ist eine Vorrichtung bekannt, ebene Druckwellen in mit Flüssigkeit gefüllten Rohren mittels Plasma zum Zweck der Reinigung zu erzeugen ( DE 23 25 517 ). Allerdings wird hierbei das Plasma ausschließlich zur Druckwellenerzeugung eingesetzt, sodass mit der beschriebenen Vorrichtung nicht Flüssigkeiten selbst mittels Plasma dekontaminiert werden können. Weiterhin gewährleistet die Vorrichtung nicht die Plasmaausbildung über die gesamte Schlauchlänge.
  • Ein bekanntes Verfahren zur Behandlung von Flüssigkeiten mittels elektrischer Gasentladung ist im Patent DE 44 40 813 C2 beschrieben. Die Reinigung der Flüssigkeit erfolgt in einem teilweise mit Flüssigkeit gefüllten Gefäß unter Atmosphärendruck durch Erzeugung einer dielektrisch behinderten Gasentladung in Form von Mikroplasmen im Gasraum zwischen Elektrode und Flüssigkeit. Die Erzeugung einer dielektrisch behinderten Barriereentladung in vollständig mit Flüssigkeit, Flüssigkeits-Gas-Gemischen, Aerosolen oder Schaum gefüllten langen engen Hohlkörpern ist nicht Gegenstand des beschriebenen Verfahrens. Dies ist jedoch beispielsweise für die Reinigung von engen langen Lumen zweckmäßig. Zudem erhebt das angegebene Verfahren nicht den Anspruch einer Reinigung, Aktivierung, Beschichtung, Modifizierung und biologischen Dekontamination (Entkeimung, Desinfektion, Sterilisation) der Innenwände von Schläuchen.
  • Das Patent DE601 03 997T2 ( EP 1 276 697 B1 ) betrifft ein Verfahren zum Fixieren eines ersten Fluids in einem zweiten Fluids unter Verwendung einer Koronaentladung erzeugt mittels sehr hoher Gleichspannungen im Bereich von 50 kV.
  • Es existiert ein Vorrichtung zur Reinigung, Aktivierung, Beschichtung, Modifizierung und biologischen Dekontamination (Entkeimung, Desinfektion, Sterilisation) von Oberflächen mittels einer dielektrisch behinderten Oberflächenentladung ( WO 2009/019156 A2 ). Diese Vorrichtung nutzt jedoch zur Erzeugung des Plasmas im engen Lumen eine Innenelektrode, was für den praktischen Einsatz unvorteilhaft ist.
  • Eine weitere Vorrichtung arbeitet mit einer großen Plasmakammer, auf deren Wand ein Flüssigkeitsfilm aufgebracht wird, welcher anschließend mittels einer Bogenetladung plasmabehandelt wird. Zur Zündung dieser Bogenetladung wird eine hohe Leistung benötigt, wodurch gleichzeitig eine sehr hohe Temperatur des Bogens entsteht. Für die Behandlung von thermolabilen Produkten ist diese Entladungsfoirm ausgeschlossen. Weiterhin ist der Aufbau der Vorrichtung für den oben genannten Zweck ungeeignet.
    • Aufgabe der Erfindung
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Nachteile der oben beschrieben technischen Lösungen zu überwinden.
    • Lösung der Aufgabe
  • Die Aufgabe wurde gemäß den Merkmalen der Patentansprüche gelöst. Erindungsgemäß wurde der Aufbau der Schläuche so geändert, dass keine zusätzlichen Elektroden auβerhalb, sowie innerhalb der Schläuche mehr benötigt werden, um ein über die gesamte Länge der Schläuche homogenes physikalisches Plasma zu erzeugen, ohne dass dabei Änderungen der physikalischen, chemischen oder mechanischen Eigenschaften, sowie der Funktionalität der Schläuche auftreten. Die Vorrichtung stellt insbesondere eine einfache und kostengünstige Änderung des Aufbaus solcher Schläuche dar. Gleichzeitig erfolgen dadurch nur geringe Änderungen für fertige Medizinprodukte, welche solche Schläuche beinhalten. Weiterhin gewährleistet die Erfindung eine möglichst unkomplizierte Erzeugung von physikalischen Plasmen in den Schläuchen in komplexen Medizinprodukten, so dass eine Demontage der Geräte oder andere spezielle Vorrichtungen nicht benötigt werden.
    • Darstellung der Erfindung
  • Die Schlauchwände werden mit mehreren spiralförmig und vorzugsweise äquidistant um den Schlauch verlaufenden, metallischen Leitern (im Folgenden als Elektroden bezeichnet) versehen, wobei sich die Elektroden innerhalb der Schlauchwand befinden. Typischerweise werden die Elektroden dazu auf einen Innenschlauch gewickelt, mit speziellen Klebern fixiert, worüber anschließend ein Außenschlauch geschrumpft wird. Weitere Möglichkeiten bestehen in der Einbettung der Elektroden in einen einzigen Schlauch oder in der Aufbringung von elektrischen Leitern durch spezielle Ätz- oder Beschichtungsprozesse. Die so erzeugten Schläuche können einen Innendurchmesser von einigen cm bis hin zu 1 mm und kleiner und eine Länge von mehreren Metern haben. Das Material der Elektroden muss dabei zwingend elektrisch leitend sein, wobei das Material des Innen- bzw. Außenschlauchs dielektrische Eigenschaften aufweisen muss und vorzugsweise eine Dicke von 10 µm bis hin zu 5 mm besitzt. Die Elektroden können dabei erfindungsgemäß als Draht mit einem Durchmesser von vorzugsweise 10 µm bis hin zu 2 mm vorliegen. Ebenfalls sind andere Querschnittsgeometrien verwendbar (z.B. rechteckige Drahtquerschnitte mit einer Dicke von typischerweise 10 µm bis 500 µm und einer Breite von vorzugsweise 0.1 mm bis 2 mm). Der Abstand der Elektroden und das sich dazwischen befindliche Isolationsmaterial müssen so gewählt werden, dass beim Anlegen einer Hochspannung die resultierende Feldstärke zwischen den Elektroden geringer ist als die Durchschlagsfestigkeit des Isolationsmaterials. Die Anzahl der Elektroden ist größer gleich 2, wobei jede 2. Elektrode vorzugsweise auf gleichem Potenzial liegt. Benachbarte Elektroden werden gesondert angesteuert, so dass eine der Elektroden auf Massepotenzial liegt und die benachbarte Elektrode mit einer Wechselspannung vorzugsweise im kHz-Bereich angesteuert wird. Erfindungsgemäß wird durch diesen Aufbau zwischen den Elektroden ein elektrisches Feld und beim Überschreiten der Zündfeldstärke ein physikalisches Plasma erzeugt. Hierbei können durch den Abstand der Elektroden und das verwendete Arbeitsgas, sowie die verwendete Ansteuerung der Elektroden, verschiedene Entladungsmodi erzeugt werden. So sind Volumen- und Oberflächenentladung als auch filamentierte und diffuse Entladungsmodi, je nach Aufgabenstellung einstellbar.
  • In einer weiteren Ausführungsform werden die Elektroden axial in der Tubuswand entlang gezogen.
  • Eine weitere Ausführungsform dieser Vorrichtung kann über ein Geflecht im Inneren der Schlauchwand realisiert werden. Das Geflecht besteht dabei aus nicht-leitendem Material, welches typischerweise auch beim Bau solcher Schläuche für zum Beispiel Endoskope verwendet wird. In diesem Geflecht werden dann kontinuierlich und vorzugsweise äquidistant elektrische Leiter eingewebt, welche sich dann über die gesamte Länge des Schlauches erstrecken.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden in die Schlauchwand die Elektroden eingebracht und außen um den Tubus passgenau ein Drahtgitter gewickelt. Die Elektroden im Inneren der Wand werden mit der Wechselspannung getrieben, während das Gitter auf Massepotenzial liegt. Es bildet sich so im Inneren des Schlauches eine Oberflächenentladung aus.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird das Prozessmedium nicht im Innern des Schlauchs eingebracht, sondern außen appliziert, wodurch sich auf der Außenwand des Schlauchs ein physikalisches Plasma erzeugen lässt.
  • In einer weiteren Ausführungsform werden in den Schlauch dielektrische Körper und/oder dielektrische Flüssigkeitstropfen, wie beispielsweise Glaskugeln und/oder Öltropfen, insbesondere aber Kugeln mit einem Durchmesser größer als 100 µm und kleiner als der Innendurchmesser des Schlauchs, alleinig oder zusammen mit dem Prozessmedium eingebracht.
    • Vorteile der Erfindung
    • ◆ Die Vorrichtung ist sehr vielseitig einsetzbar, selbst in Arbeits- und Jetkanälen von komplexen Medizingeräten kann ohne Probleme ein physikalisches Plasma erzeugt werden, ohne dass der Aufbau solcher Geräte stark verändert werden muss, oder die Funktion von Bauteilen des Gerätes beeinflusst wird.
    • ◆ Die Funktion der Schläuche bleibt vollständig erhalten (Flexibilität, Biegeradius...), die Festigkeit wird sogar noch erhöht. Je nach Ausführung der Elektroden kann auf einen externen Knickschutz verzichtet werden, welches zu einer Reduktion der Baugröβe führen kann.
    • ◆ Es ist eine Vielzahl von unterschiedlichen Prozessmedien einsetzbar.
    • ◆ Die Vorrichtung bietet zusätzlich zur physikalischen Plasmaerzeugung im Inneren der Schläuche die Möglichkeit, ein jetartiges Plasma am Gasausgang des Schlauches zur Reinigung, Aktivierung, Beschichtung, Modifizierung und biologischen Dekontamination (Entkeimung, Desinfektion, Sterilisation) sowie für therapeutische Anwendungen zu erzeugen.
    • ◆ Die Erzeugung eines physikalischen Plasmas ist auch bei feuchten bzw. mit einem Flüssigkeitsfilm überzogenen Innenwänden der Schläuche möglich. Bei ausreichend hohen Gasflüssen ist auch eine Plasmatrocknung möglich.
    • ◆ Durch die Zugabe von dielektrischen Körpern zum Prozessmedium wird eine erhöhte Oberfläche innerhalb des Schlauchs erzeugt und damit beispielsweise eine erhöhte Reinigungsleistung des Prozessmediums erzielt.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne sie auf diese Beispiele zu beschränken.
    • Ausführungsbeispiele
  • Mit den nachfolgend in verschiedenen Zeichnungen dargestellten Anführungsbeispielen werden die Erfindung und deren Anwendungsmöglichkeiten detailliert erläutert. Für die Kennzeichnung der einzelnen Elemente des Aufbaus der Vorrichtung werden folgende Bezugszeichen verwendet: Bezugszeichenliste:
    1 geerdete Elektrode 7 Prozessmedium-Einlass
    2 Hochspannungselektrode 8 Abschirmung
    3 Außenisolierung 9 Zwischenisolierung
    4 Innenschlauch 10 Kunststoffgitter
    5 Plasma gezündet im Prozessmedium 11 dielektrische Körper (z.B. Gasblasen,
    6 Hochspannungsquelle Flüssigkeitstropfen, Kugeln)
  • Die Vorrichtung beinhaltet eine Hochspannungsversorgung, deren Frequenzbereich im Kilohertz bis hin zu Megahertz liegt und die zur Erzeugung der Atmosphärendruckentladung benötigten Spannung im Bereich von 1-25 kV bereit stellt, einen dielektrischen Schlauch, dessen Durchmesser vorzugsweise im Bereich von µm bis mm und dessen Länge von einigen Zentimeter bis hin zu mehren Metern variiert werden kann, und elektrisch leitende Elektroden in der kompletten Tubus-Wand, welche beliebig geformt sein können und einen Durchmesser im Bereich von µm bis hin zu mehreren mm aufweisen können.
    • Erläuterung der Zeichnungen
  • Fig. 1 und Fig. 2 zeigen den prinzipiellen Aufbau der Vorrichtung mit 2 runden, spiralförmig um den Innenschlauch (4) gedrehten Elektroden, wobei eine davon auf Massepotenzial (1) gelegt wird, die andere (2) auf eine Wechselspannung. Die Gaszufuhr (7) erfolgt über einen Gasanschluss mit einer Gasdüse. Die Elektroden können dabei in unterschiedlichen Anordnungen und Anzahl vorliegen, wie in Fig. 3 und 4 gezeigt, als Netz bei der die Elektroden in ein Kunststoffgitter eingewebt sind, oder wie in Fig. 5 gezeigt als parallele Drähte in axialer Richtung. Die Anzahl der Elektroden ist variabel. Innen- und Außenschlauch sind bei allen Anordnungen identisch und dienen als Dielektrikum.
  • In Fig. 6 sind bei Verwendung von mehr als 2 Elektroden typische Ausführungsformen dargelegt.
  • Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform des Schlauches, bei der auf eine geerdete Elektrode in der Schlauchwand verzichtet wurde, stattdessen wird die elektrische Abschirmung bzw. Knickversteifung außerhalb des Schlauches als Masseelektrode verwendet. Es bildet sich dadurch im Inneren des Schlauches eine Oberflächenentladung aus. In Fig. 8 ist die Abschirmung ebenfalls in die Schlauchwand mit eingebaut.
  • Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der in den Schlauch dielektrische Körper und/oder dielektrische Flüssigkeitstropfen, wie beispielsweise Glaskugeln und/oder Öltropfen, insbesondere aber Kugeln mit einem Durchmesser größer als 100 µm und kleiner als der Innendurchmesser des Schlauchs, alleinig oder zusammen mit dem Prozessmedium eingebracht werden.
  • Die Hochspannungselektrode wird bei allen Ausführungsbeispielen mit einer Spannung im Kilovolt-Bereich und einer Frequenz von einigen Kilohertz bis hin zu Megahertz mit einem Sinus-, Rechteck- oder Dreiecksignal angesteuert. Dabei können die unterschiedlichsten Tastverhältnisse und Flankensteilheiten eingesetzt werden, wobei spezielle Puls- oder Burstspannungen für einige Prozesse einen besonderen Vorteil darstellen können.

Claims (15)

  1. Vorrichtung zur Erzeugung eines physikalischen Plasmas im Inneren von langen dielektrischen Schläuchen mit geringem Innendurchmesser, umfassend:
    mindestens eine elektrisch leitfähige Hochspannungselektrode (3) und eine elektrisch leitfähige geerdete Elektrode (2), sowie eine Hochspannungsversorgung (6) und eine Versorgungseinheit für Prozessmedien (7), dadurch gekennzeichnet dass, beide Elektroden in die Schlauchwand eingebracht sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden
    a) schraubenartig entlang der Achse des Schlauches verlaufen oder
    b) parallel in axialer Richtung verlaufen oder
    c) zusammen mit nicht-leitenden Fasern als ein Netz eingebracht werden.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich in der dielektrischen Schlauchwand die Elektroden befinden und sich außen um den Tubus passgenau ein elektrisch leitendes Gitter befindet.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Schlauch dielektrische Körper und/oder dielektrische Flüssigkeitstropfen, vorzugsweise Glaskugeln und/oder Öltropfen, insbesondere aber Kugeln mit einem Durchmesser größer als 100 µm und kleiner als der Innendurchmesser des Schlauchs, alleinig oder zusammen mit dem Prozessmedium befinden.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie Einrichtungen zur Erzeugung eines jetartigen Plasmas am Schlauchende enthält.
  6. Verfahren zur Erzeugung eines Plasmas im Inneren von langen dielektrischen Schläuchen mit geringem Innendurchmesser, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
    ⇒ Fixierung von Elektroden dazu auf einem Innenschlauch, vorzugsweise mit Klebern, worüber anschließend ein Außenschlauch geschrumpft wird oder Aufbringung der Elektroden durch spezielle Ätz- oder Beschichtungsprozesse oder Einbettung der Elektroden direkt in die Schlauchwand
    ⇒ Hinzufügen eines Prozessmediums in den Schlauch und Anlegen einer alternierenden Hochspannung, wobei beim Überschreiten der Zündfeldstärke ein physikalisches Plasma im Prozessmedium erzeugt wird.
  7. Verfahren zur Erzeugung eines Plasmas nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rechtecksignal mit einer Flankensteilheit von typischerweise 1kV/ns zur Erzeugung der Hochspannung genutzt wird.
  8. Verfahren zur Erzeugung eines Plasmas nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannung im Burstmodus angelegt wird.
  9. Verfahren zur Erzeugung eines Plasmas nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessmedium und Plasmaeinwirkung auf die Außenfläche vom Schlauch appliziert werden.
  10. Verfahren zur Erzeugung eines Plasmas nach einem der Ansprüche 6 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmaerzeugungsschritt die Einbringung von dielektrischen Körpern und/oder dielektrische Flüssigkeitstropfen, wie beispielsweise Glaskugeln und/oder Öltropfen, insbesondere aber Kugeln mit einem Durchmesser größer als 100 µm und kleiner als der Innendurchmesser des Schlauchs, alleinig oder zusammen mit dem Prozessmedium in den Schlauch beinhaltet.
  11. Verfahren zur Erzeugung eines Plasmas nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das im Lumen erzeugte Plasma durch eine Gasströmung bzw. ein virtuelles Massepotenzial aus dem Lumen heraus gezogen werden kann und als Bearbeitungsinstrument und für therapeutische Zwecke genutzt werden kann.
  12. Verfahren zur Erzeugung eines Plasmas nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmaerzeugungsschritt die Reinigung oder Oberflächenmodifikation der Schlauchwand
    und / oder
    die Reinigung oder Oberflächenmodifikation des Prozessmediums beinhaltet.
  13. Verfahren zur Erzeugung eines Plasmas nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmaerzeugungsschritt die Beschichtung der Schlauchwand oder die Beschichtung der dem Prozessmedium zugeführten Festkörpern beinhaltet.
  14. Verfahren zur Erzeugung eines Plasmas nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmaerzeugungsschritt die biologischen Dekontamination (Entkeimung, Desinfektion, Sterilisation) der Schlauchwand oder des Prozessmediums beinhaltet.
  15. Verfahren zur Erzeugung eines Plasmas nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmaerzeugungsschritt Erzeugung eines jetartigen Plasmas am Schlauchende beinhaltet.
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