JP2009255027A - 殺菌方法並びに殺菌装置とその装置を用いた空調機、手乾燥機及び加湿器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 被処理水8を収容する処理槽7内に設置され、側面が絶縁体4で被覆された高電圧電極2と間隙を設けて対向配置された接地電極3とを対とする、少なくとも一対以上の放電電極6と、放電電極6に高電圧パルスを印加する電源9と、を備え、被処理水8を放電により絶縁破壊させ、且つ気泡10を発生させる高電圧パルスを印加し、被処理水8に噴流11を生起させることにより被処理水を殺菌するものである。これにより、被処理水中の微生物や菌を効率よく処理できる。
【選択図】 図1
Description
図1は、本発明の実施の形態1に係る殺菌装置を示す概略断面図である。
図1に示すように、殺菌装置1は、棒状の高電圧電極2と板状の接地電極3とを対とする放電電極6で構成されており、高電圧電極2は、先端部2aの端面を除いて絶縁体4で被覆されて、高電圧電極部5を形成し、また、高電圧電極2の先端部2aと接地電極3とが所定の電極間隙を設けて、処理槽7内で被処理水8に浸漬された状態で対向配置されており、さらに、高電圧電極2と接地電極3は、高電圧パルスを発生する電源9に接続されている。気泡10は放電により発生したものであり、噴流11は気泡10に伴って生じる水の流れである。
処理槽7内に被処理水8を入れた上で、電源9により、高電圧電極2と接地電極3との間に、2〜50kV/cm、100Hz〜20,000Hzの負極性の高電圧パルスを印加し、放電を行う。高電圧電極2の放電により絶縁破壊が生じ、そのエネルギーにより水が蒸発し、衝撃波とともに気化することにより水蒸気の気泡10bが発生する。また、同時に高電圧電極2で電気分解が生じ、反応式(1)による水素(H2)の気泡10hも発生する。
2H++2e−→ H2 (1)
水のクラスタ構造は水分子(H2O)とこれが電離して生じたわずかな量のH+とOH−から構成されている。気泡表面の界面は構造中にH+とOH−が集まりやすい特徴があり、気泡10周辺の水に比べて、これらのイオン密度が高くなる。特に、集まりやすさは、OH−の方が強く、界面を負に帯電させる。つまり、これらの気泡10は、負に帯電する。接地電極3で電気分解により発生する酸素(O2)の気泡10sは、接地電極3付近に滞留し、殺菌には寄与しない。
そのため、高電圧電極2近傍で発生したこれらの気泡10は、放電によって発生した電子などの帯電粒子の蓄積、水蒸発発生時の衝撃波、高電圧電極2と接地電極3との間で形成された電界による電子の移動、かつ気泡10自体が負に帯電しているため、接地電極3側に引き寄せられる。そのため、高電圧電極2側から接地電極3側に向かう気泡10による噴流11が発生する。
ガス分子や水分子を電離するのに必要なエネルギーを電離電圧といい、その値は、10〜15eV程度である。電離にまでは至らないが、高いエネルギー状態に励起された各種の活性種(ラジカル)もプラズマ中で多く生成される。通常の化学結合のエネルギーは高々数eVであり、ラジカルなどにより種々の化学反応が引き起こされる。
また、滞留した被処理水であっても攪拌および放電の相乗効果により殺菌作用が著しく向上するといった従来の装置にはない顕著な効果を奏するものである。
2H2O→ O2+4H++4e− (2)
気泡10は、実施の形態1と同様に、負に帯電しているが、水蒸気発生時の衝撃波により、流れが生じる。その結果、実施の形態1と同様に、放電により生じた気泡10の噴流11が発生する。この気泡10の噴流11により生じた高電圧電極2を起点とする水の流れに伴って、被処理水8に含まれる菌や微生物も一緒に高電圧電極2に向かって流れ込み、高電圧電極2の先端部2aでのプラズマにより、次々と効率よくこれらの菌や微生物が殺菌される。この場合、接地電極3側での電気分解により、水素(H2)が発生するが、接地電極付近に滞留するだけで、こちらは殺菌には寄与しない。
次に、菌や微生物に対する殺菌効果を確認するために処理槽7に大腸菌を入れ、高電圧パルス放電による大腸菌の残存率の時間変化を調べた。図5に、実施の形態1による実施例1として、実験条件1、実験条件2および比較条件1との実験結果を示す。
実験には、高電圧電極2として、直径0.2mm、長さ50mmのタングステン(W)線を用い、この高電圧電極2の周囲を、絶縁体4として射出成形により、直径10mmのエポキシ樹脂で被った。また、接地電極3として、チタン製エキスパンドメタル(1インチ平方あたりのメッシュ数80、線径0.1mm)に、白金(Pt)を無電解めっきにより担持密度0.6mg/cm2でめっきしたメッシュ状電極(直径5cm)を用いた。高電圧電極2と接地電極3との電極間隙Dは3mmとした。また、処理槽7は、ガラス製のものを用い、この中に大腸菌が105CFU/ml添加された被処理水8を50ml入れた(CFU:Colony Forming Unit)。
図7は、本発明の実施の形態2に係る殺菌装置の放電電極部を示す概略断面図である。
図7に示すように、実施の形態2に係る殺菌装置の放電電極部において、放電に寄与する高電圧電極2の先端部2aが絶縁体4の先端部4aよりも内側に後退しており、凹となっている点を除けば、実施の形態1の図1と同様であり、他の構成については説明を省略する。
実施の形態2における殺菌装置を用いた殺菌のメカニズムは、実施の形態1と同様であるので、説明を省略する。
図9は、本発明の実施の形態3に係る殺菌装置の放電電極部を示す概略断面図である。
図9に示すように、実施の形態3に係る殺菌装置は放電電極部に、絶縁体4と接地電極3との間に噴流の流れを一定方向に誘導する誘電体筒13を設けている点を除けば、実施の形態1の図1と同様であり、他の構成については説明を省略する。誘電体筒13は、絶縁体4の先端部4aの側面部を覆い、絶縁体4との間に間隙14を設け、また、接地電極3との間に間隙15を設けた状態で設置されている。
図13は、本発明の実施の形態4における殺菌装置を示す概略断面図である。
図13に示すように、実施の形態4に係る殺菌装置1は、高電圧電極2を被覆する絶縁体4とメッシュ状接地電極18との間を、筒状のフィルタ19を取り付けた点と接地電極がメッシュ状である点を除けば、実施の形態1の図1と同様であり、他の構成については説明を省略する。
図14は、本発明の実施の形態5における殺菌装置を示す概略断面図である。
図14に示すように、実施の形態5に係る殺菌装置1は、高電圧電極2を被覆する絶縁体を親水性絶縁体20としたものである。接触角としては、60°以下、望ましくは30°以下がよい。親水性絶縁体20の材料としては、例えば、エポキシ樹脂などがよい。それ以外の構成は実施の形態1の図1と同様であり、説明を省略する。
発生する気泡の一種であるO2、H2の水への溶解度は、1気圧、20℃で28.5、17.5ml/kgと低い。つまり、O2やH2は、水との親和性が少なく、親水性が低いため、親水性固体表面には付着しにくい。そのため、絶縁体表面の接触角が60°以下のものを用いると、放電により発生した気泡が表面に着き難く、30°以下にするとほとんど付着しない。以上のことから、実施の形態5の殺菌装置1によると、実施の形態1と同様、殺菌効果が得られるとともに、高電圧電極2を覆っている親水性絶縁体20が親水性を有するあるため、発生した気泡10は、高電圧電極2付近に滞留することなく、スムーズに接地電極3側に向かって移動することにより、水の噴流力が増し、被処理水8の殺菌効率が向上する。例えば、高電圧電極2の電極材料として、タングステン(W)や白金(Pt)を用いる場合、その親水性絶縁体20としては、エポキシ樹脂を用いるのが望ましい。
O2+(185nm)→ O+O (3)
O2+O → O3 (4)
O3+(254nm)→ O (5)
この酸素ラジカル(O)が絶縁体表面にアタックし、極性のある親水性の高いOH、C−O、C=O、COO、C(O)OHなどの官能基を形成する。照射距離5cmであれば、照射時間が1分までは、接触角は急激に指数関数的に上昇し、その後も徐々に増加する。そのため、ポリブチレンテレフタレート(PBT)やポリフェニレンスルファィド(PPS)などの樹脂を用いた場合、5分程度照射すれば、60°以上であった接触角も30°以下になり、親水化は著しく向上する。
なお、実施の形態5における殺菌装置を用いた殺菌のメカニズムは、実施の形態1と同様であるので、説明を省略する。
図15は、本発明の実施の形態6における殺菌装置を示す概略断面図である。
図15に示すように、実施の形態6に係る殺菌装置1は、添加剤を注入する添加剤注入槽21を設けたものであり、その点を除けば実施の形態1の図1と同様であり、他の構成については説明を省略する。
図16は、本発明の実施の形態7における殺菌装置を冷暖房機能を有する空調機に設置した例を示す概略断面図である。空気中の水蒸気は熱交換器22の表面において冷却され、熱交換器22の表面で凝縮され凝縮水23となる(凝縮水のことを以下「ドレン水」と呼ぶ)。熱交換器22の表面は親水化処理されているため、ある一定以上の凝縮水23が付着すると自然落下を始めて、ドレン水23として、ドレンパン24に回収される。ドレンパンに設置された本発明による殺菌装置1を用い、ドレン水中のカビや細菌などを除去する。
図17は、本発明の実施の形態7における殺菌装置を設置した空調機の熱交換器に付着させた菌体に対する除菌効果を実施例2による実験結果を示す。以下のような設定条件で試験を実施した。殺菌条件としては、実施の形態1における、高電圧電極2と接地電極3の電極間隙Dが10mmで、−10kV、100Hzで、負極性のパルス放電を行った。また、殺菌装置1を構成する材料としては、実施例1と同様のものを用いた。
図13は、実施の形態8における殺菌装置を手乾燥機に設置した例を示すドレンパン部の概略断面図である。濡れた手26の両面に吹きつけられたジェット風27により、水滴28は一気に吹き飛ばされて、ドレン水23となり、ドレンパン24に回収される。その後、ドレンパン24に設置された本発明による殺菌装置1により、ドレン水23中のカビや細菌などを除去する。
図19は、実施の形態8における殺菌装置を加湿器に設置した例を示す概略断面図である。図19に示すように加湿器は、空気を加湿するための水を貯めておく貯水タンク29、加湿素子30から水を回収するドレンパン24、このドレンパン24から貯水タンク29にドレン水23を送る配管31、貯水タンク29と加湿素子30を結ぶ配管32などから構成されている。
ドレンパン24に、殺菌装置1を設置し、貯水タンク29に貯まっている水を定期的に殺菌することにより、水は常時殺菌された状態になり、貯水タンク29のみならず、加湿素子30、ドレンパン24などのカビ発生の抑制にもつながる。
2 高電圧電極
3 接地電極
4 絶縁体
6 放電電極
7 処理槽
8 被処理水
9 電源
10,10b,10h,10s 気泡
11 噴流
13 誘電体筒
18 メッシュ状接地電極
19 フィルタ
20 親水性絶縁体
21 添加剤注入槽
22 熱交換器
23 凝縮水(ドレン水)
24 ドレンパン
30 加湿素子
Claims (14)
- 被処理水中に浸漬された高電圧電極と接地電極とからなる放電電極に、前記被処理水を絶縁破壊させ、かつ気泡を発生させる高電圧パルスを印加し、前記被処理水に噴流を生起させることにより被処理水を殺菌することを特徴とする殺菌方法。
- 被処理水に添加剤として、酢酸もしくはカルボキシル基以外の親水性の残基(−OH、−NH2(第1アミン)、−NH−(第2アミン)、−N<(第3アミン)、−C(O)NH−(ペプチド結合)、−C(O)NH2(第1アミド)、(−C(O))2NH(第2アミド)、(−C(O))3N(第3アミド)、−O−、−SO3H、−PO4H、−F、−NO2、−S(O)−、−CN)を持つカルボン酸の少なくとも一つを添加することを特徴とする請求項1に記載の殺菌方法。
- 被処理水を収容する処理槽内に設置され、側面が絶縁体で被覆された高電圧電極と電極間隙を設けて対向配置された接地電極とを対とする、少なくとも一対以上の放電電極と、
前記放電電極に高電圧パルスを印加する電源と、
を備え、
前記被処理水を放電により絶縁破壊させ、かつ気泡を発生させる高電圧パルスを印加し、前記被処理水に噴流を生起させることにより被処理水を殺菌することを特徴とする殺菌装置。 - 高電圧電極に負の高電圧パルスを印加することを特徴とする請求項3に記載の殺菌装置。
- 高電圧電極を被覆する絶縁体と接地電極との間に噴流の流れを誘導する誘電体筒を設けたことを特徴とする請求項3または請求項4に記載の殺菌装置。
- 高電圧電極を被覆する絶縁体と接地電極との間に筒状のフィルタを設けたことを特徴とする請求項3または請求項4に記載の殺菌装置。
- 絶縁体が、親水性を有する材料で構成されていることを特徴とする請求項3から請求項6のいずれかに記載の殺菌装置。
- 絶縁体が、軟化温度又は分解温度のいずれか低い方が300℃以上である耐熱性を有する材料で構成されていることを特徴とする請求項3から請求項7のいずれかに記載の殺菌装置。
- 添加剤注入槽を備え、被処理水に添加剤として、酢酸もしくはカルボキシル基以外の親水性の残基(−OH、−NH2(第1アミン)、−NH−(第2アミン)、−N<(第3アミン)、−C(O)NH−(ペプチド結合)、−C(O)NH2(第1アミド)、(−C(O))2NH(第2アミド)、(−C(O))3N(第3アミド)、−O−、−SO3H、−PO4H、−F、−NO2、−S(O)−、−CN)を持つカルボン酸のうち、少なくとも一つを添加して使用することを特徴とする請求項3から請求項8のいずれかに記載の殺菌装置。
- 電極間隙が1から20mmにおいて、高電圧電極の先端部が、前記高電圧電極を被覆する絶縁体の先端部よりも、電極間隙に対して0から0.1以下の比率の範囲で突出していることを特徴とする請求項3から請求項9のいずれかに記載の殺菌装置。
- 高電圧電極の先端部が、前記高電圧電極を被覆する絶縁体の先端部よりも凹んでいることを特徴とする請求項3から請求項9のいずれかに記載の殺菌装置。
- 請求項3から請求項11のいずれかに記載の殺菌装置を備え、ドレンパン内の水を殺菌する機能を有することを特徴とする空調機。
- 請求項3から請求項11のいずれかに記載の殺菌装置を備え、ドレンパン内の水を殺菌する機能を有することを特徴とする手乾燥装置。
- 請求項3から請求項11のいずれかに記載の殺菌装置を備え、加湿水を殺菌し、加湿素子を洗浄する機能を有することを特徴とする加湿器。
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