JP2018525211A - プラズマ注入による空気ろ過および消毒システム - Google Patents

Abstract

本明細書で開示されるのは、プラズマ反応器挿入アッセンブリであって、一例では、外側ケーシングが、流体入口と、流体出口と、入力電源と、電源コネクタと、外側ケーシングに結合された変圧器ブラケットと、変圧器ブラケットに取り付けられた少なくとも１つの昇圧変圧器と、電源コネクタと電気的に導通するインサートと、変圧器と電気的に導通する複数のほぼ平行な誘電体管と、各誘電体管の間に配置された少なくとも１つのアースプレートであって、それらの間に流体用ギャップを有するアースプレートと、を具えており、このアッセンブリには、誘電体管の１つとアースプレートの１つとの間を通過することを除いて流体入口と流体出口との間に流体経路はない。一形態において、各アースプレートの断面は、ｖ字形状または円弧状のｖ字形状となっている。プラズマ反応器を使用して消毒または殺菌する方法も記載されている。【選択図】図１６

Description

本開示は、２０１５年６月９日に、米国特許第９０５０５５６号として発行されている２０１２年８月２日に出願された米国特許出願第１３／５６５，６０５号の一部継続出願の優先権を主張する。米国特許出願第１３／５６５，６０５号は、２０１１年８月３日に出願された米国仮特許出願第６１／５１４，５８８号の優先権を主張し、参照により本明細書に組み込まれている。

本出願は、プラズマ反応器内の調湿エアフローを反応させて形成したプラズマ（酸素ラジカル、ヒドロキシルラジカル、イオン、オゾン）活性化水（ＰＡＷ）および／またはプラズマ活性化ガス（ＰＡＧ）を適用して、空気／気体／液体中の、またはエアフローが導かれる表面上の汚染物質（臭気、細菌、ウイルスなど）を迅速に酸化する分野に関する。

本明細書には、様々な形で、空気、酸素（Ｏ_２）、窒素（Ｎ_２）、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）などの流体入口と、ＰＡＧまたはＰＡＷ用の流体出口と、入力電源と、電源コネクタと、少なくとも１つの昇圧変圧器と、電源コネクタと電気的に導通する変圧器と、この変圧器と電気的に導通する複数のほぼ平行な誘電体管と、各誘電体管の間に配置された少なくとも１つの円弧状のｖ形電極分割器であって、各電極分割器と、隣接する各誘電体管との間に流体用ギャップを有する電極分割器とを具えるケーシングを有し、誘電体管と電極分割器との間を除いて、流体入口と流体出口との間に流体経路がないプラズマ反応器アッセンブリが開示されている。

プラズマ反応器アッセンブリは、誘電体管が配置され、各誘電体管は、順番に、外側セラミック管と、内側金属電極管と、中央高電圧リードとを具える。

プラズマ反応器アッセンブリは、ケーシングが配置され、このケーシングは、変圧器ブラケットと変圧器とを内部に収容する上部ユニットと、誘電体管と電極分割器とを内部に具える下部ユニットと、取り外し可能な物理的接続部と、上部ユニットと下部ユニットとの間の取り外し可能な電気的接続部とを具える。

プラズマ反応器アッセンブリは、ケーシングが、バヨネット型カップリングの第１の半体を具え、この第１の半体は、キャビネットハウジング上に設けられたバヨネット型カップリングの第２の半体に連結するように構成されている。

プラズマ反応器アッセンブリは、更に、キャビネットドアと、ドアスイッチとを具え、ドアスイッチは、キャビネットドアが閉じているときにのみ、外側ケーシングの電源入口に電気を供給するように構成されている。

プラズマ反応器アッセンブリは、各変圧器が、誘電体管への高周波、高電圧出力を具えるように構成されている。

プラズマ反応器アッセンブリは、ケーシングが、既存の化学フィルタまたはバリアフィルタのハウジングと同一の形状とサイズを有しており、電源に電気的に接続して組み込みを行う。

プラズマ反応器アッセンブリは、ケーシングの流体入口および流体出口が、通過する流体を急速酸化により処理する生産工程におけるベントスタックと並んでいる。

プラズマ反応器アッセンブリは、ケーシングの流体出口が、生産工程におけるベントスタックに対して接線方向にあり、ベントスタックにプラズマを供給し、このプラズマがそこを通過する流体と急速酸化によって反応する。

本明細書において用語「生産プロセス」は、製造プロセスからのエアフロー、ＨＶＡＣシステム、食品貯蔵場所、病院／空港および他の場所への空気供給、住宅への空気供給、および同等の場所および用途をカバーするものとして使用する。

プラズマ反応器アッセンブリは、外側ケーシングの流体出口が、誘電体管によって生成されたオゾンと接触することによって再生される化学反応フィルタから選択される化学反応フィルタまたは触媒フィルタと流体連通している。

プラズマ反応器アッセンブリは、外側ケーシングが、実質的に円筒形である。

化学フィルタまたはバリアフィルタをプラズマ反応器アッセンブリに交換する方法がさらに開示されている。この方法は、外側ケーシングを有するプラズマ反応器を提供するステップを具えており、外側ケーシングは、空気、酸素（Ｏ_２）、窒素（Ｎ_２）、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）などの流体入口と、ＰＡＧまたはＰＡＷ用の流体出口と、入力電源と、電源コネクタと、を具えている。さらにこの方法は、電源コネクタとの電気的に導通する少なくとも１つの昇圧変圧器を提供するステップと、この変圧器との電気的に導通する複数のほぼ平行な誘電体管を提供するステップと、各誘電体管の間に配置された少なくとも１つの円弧状のｖ形電極分割器を提供するステップであって、各電極分割器と、隣接する各誘電体管との間に流体用ギャップを有し、誘電体管と電極分割器との間を除いて流体入口と流体出口との間には流体経路がないステップと、既存の化学フィルタまたはバリアフィルタを取り外し、取り外された化学フィルタまたはバリアフィルタによって空いた空間にプラズマ反応器を設置するステップと、電源をプラズマ反応器に接続するステップとを具える。

殺菌または消毒の方法も開示され、この方法は、空気、酸素（Ｏ_２）、窒素（Ｎ_２）、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）などの流体入口と、ＰＡＧまたはＰＡＷ用の流体出口と、入力電源と、電源コネクタとを具えるケーシングを提供するステップを具えている。殺菌（ｄｉｓｉｎｆｅｃｔｉｎｇ）という用語は、一般的には不要な汚染物質の完全な除去／殺滅／破壊を意味することを意図しているが、より低いレベルの「消毒（ｓａｎｉｔｉｚｉｎｇ）」という意味で十分である。この方法はまた、電源コネクタと電気的に導通する少なくとも１つの昇圧変圧器を提供するステップと、この変圧器と電気的に導通する複数のほぼ平行な誘電体管を提供するステップと、各誘電体管の間に配置された少なくとも１つの円弧状のｖ形電極分割器を提供するステップであって、誘電体管と電極分割器との間を除いて流体入口と流体出口との間に流体経路がないステップと、流体出口の流体出力を固体、液体または気体のいずれかで消毒すべき物質へと向けるステップとを具える。このステップは、再循環があってもなくても実施可能である。

この方法は、流体入口に入る流体の湿度を操作するステップを具える。

消毒方法は、流体出力または流体入力に反応剤を加えるステップをさらに具え、この反応剤は、酸素（Ｏ_２）、窒素（Ｎ_２）、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）などからなるリストから選択可能である。

消毒方法は、流体出力および／または流体入力の温度を制御するステップをさらに具える。

消毒方法の実施にあたり、消毒ステップは、酸化を改善する化学物質に流体出力を適用するステップを具える。消毒方法の実施にあたり、消毒ステップは、酸化を改善する化学物質または触媒に流体出力を適用するステップを具える。

図１は、本明細書に記載のプラズマ反応器の一例を示す斜視図である。 図２は、図１に示す例の外側ケーシングの一部を取り外して内部構成要素を示す斜視図である。 図３は、図２に示す例の上部ユニット部分の斜視図である。 図４は、設置アッセンブリを示す概略図である。 図５は、本開示の使用モードの１つを示す概略図である。 図６は、開示された装置およびシステムを使用した場合の化学式である。 図７は、本開示の一動作例を示す概略図である。 図８は、濃度が異なる臭気を分解するのに必要なエネルギ量を示すチャートである。 図９は、ベントスタックまでの距離に対する臭気の希釈の一般的関係を示すチャートである。 図１０は、プラズマフィルタキャビネットの電気回路図の一例を示す。 図１１は、図１に示す例の下部ユニット部分の斜視図である。 図１２は、図１に示す例の下部ユニット部分の別の方向から見た斜視（下側）図である。 図１３は、本開示の使用モードを示す概略フロー図である。 図１４は、図１に示す例の下部ユニット部分の斜視図である。 図１５は、図１に示す例の下部ユニット部分の下側構造を示すためにいくつかの構成要素を取り外した斜視図である。 図１６は、図１に示す例のいくつかの内部構成要素の詳細図である。 図１７は、本開示の一使用モードの概略図である。 図１８は、本開示の一使用モードの概略図である。 図１９は、図１１に示す例の下部ユニット部分の下側構造を示すためにいくつかの構成要素を取り外した斜視図である。 図２０は、図１１に示す例の下部ユニット部分の下側構造を示すためいくつかの構成要素を取り外した斜視図である。 図２１は、本開示の平坦な（非円筒形の）構成例を示す斜視図である。 図２２は、図１２の２２−２２線に沿った断面図である。 図２３は、プラズマ反応器の別の用途の概略図である。 図２４は、プラズマ反応器の別の用途の概略図である。 図２５は、プラズマ反応器の別の用途の概略図である。 図２６は、プラズマ反応器の別の用途の概略図である。 図２７は、プラズマ反応器の別の用途の概略図である。

本開示は、プラズマ活性化水（ＰＡＷ）により気体／液体／固体中またはその上の汚染物質を酸化／殺菌／消毒する分野に関するものであり、ＰＡＷおよび／またはプラズマ活性化ガス（ＰＡＧ）は、低温プラズマによって形成されるか、またはＮＴＰ（非熱プラズマ）によって形成される。プラズマ噴射技術の開発、および世界で２，０００，０００ｍ^３／ｈ（中央値１７，０００ｍ^３／ｈまたは１０，０００ｃｆｍ／システム）以上の空気を処理することにより、この技術は、多くの用途において、最も効率的で、コンパクトでかつ経済的に適用可能となった。

図５を参照して記載した例では、非湿度制御空気を処理する同様のプラズマ反応器を使用して、２，０００ｍ^３／ｈのＰＡＷ／ＰＡＧを注入する４０ｘ７０ｘ７５ｃｍの小さなハウジングを提供する。このＰＡＷ／ＰＡＧは、プラズマ注入器２２を用いて周囲の清浄な空気から変換され、２０，０００ｍ^３／ｈのプロセス用エアフローを用いた生産スタック２６内へのプラズマの注入に利用され、わずか６ｋＷで臭気を制御する。

一形態では、空気を清浄化し、ＰＡＷを形成し、表面を消毒し、プロセス用エアフローの大きな障害物をなくすにあたって、化学物質、生体材料、マスキング剤を必要としない。この一例が図５に示されており、プラズマ反応器２４は、出口１１８を通してスタック２６にプラズマを配置する。したがって、プラズマは、スタック２６内に急速酸化領域１４２を作り、エアフロー２８内にＰＡＷをつくる。

開示された臭気制御および消毒方法および装置の使用方法における１つのステップは、図７に示す小さなパイロット実証／評価ユニット２８を生産現場で用いて、臭気の低減および／または酸化および／または消毒条件を評価するステップであり、独立した臭気ラボを用いて臭気の分散および消毒モデルを提供し、現地規制によって求められる効率を実証し提供するステップである。実証ユニット２８によって試験と評価を行うことができる。通常、その後原寸大のインストールが行われる。

このような実証／評価ユニット２８は、本明細書で説明する他の実施形態と同様のプラズマ注入器３０を具える。このようなプラズマ注入器の２つの例を図１および図４に示す。制御ボックス３２は、実証／評価ユニット２８に必要な回路および電源を具える。送風機３４を利用して、スタック２６の入口３６から出口３８へ所望のエアフローを提供することができる。本明細書では、用語スタックは、消毒目的のために濾過またはプラズマ反応を必要とする「酸性」または汚染されたガスを排出するために用いるダクトを示すものとして使用する。プラズマ注入器３０と出口３８との間の触媒酸化のために必要な空間を提供するキャビネット４０が設けられている。より濃度の高い気体、例えば揮発性有機化合物（ＶＯＣ）またはメルカプタンを酸化する触媒を、キャビネット４０またはシステム内の別の場所に含めることができる。実証／評価ユニットを利用して、酸性ガスを許容限界まで低減するのに必要な効率および電力を決定することができる。

一形態においては、化学物質および廃棄物を追加供給することなしに、プラズマ反応器内で臭気の酸化およびＰＡＷの形成が起こる。本明細書に開示されたプラズマ反応システムは、このプロセスを加速し、スタック２６を越える不要な化学物質を低減することができる。ほとんどの臭気放出は、独特の臭気成分の混合（組み合わせ）であるため、本明細書に開示されたプラズマ注入器は、特定量の酸化力を加えて臭気を制御できる。

本明細書に開示されたプラズマ注入器による脱臭および消毒は、急速酸化によって促進することができる。 酸化された分子は、一般的に感覚器官で（臭いによって）検出することができないため、観察者を悩ますことはない。

プラズマ注入器アッセンブリ２２の一実施形態は、図４に示されているように、プラズマ反応器２４を内部に設けたキャビネット４２からなる。周囲の空気がそこを通って四方に広がり、その結果、酸素、窒素および水蒸気分子が分離する。

この遷移（分離）は、非常に反応性の高いＰＡＧとＰＡＷが形成されるプロセスの第１ステップであり、電子エネルギレベルが高い不安定な酸素およびヒドロキシル原子、イオン、ラジカルなどの混合物を含む。しばしば「活性酸素」と呼ばれるこのガス５２は、汚染された空気中で、注入後に臭気成分５０を用いて急速な酸化プロセス４８を実行する能力がある。このような酸化プロセスを図６に示す。特定の一の臭気分子（成分）５０が例示されているが、本発明の装置および方法は多数の臭気分子に作用する。

臭気成分５０は、酸化プロセスによって人間の臭覚への刺激性がなくなるので、スタック２６近くの隣人または他人にとって不快なものとならないだろう。

図４に一形態を示すように、プラズマ注入器システム２２は、その中にプラズマ反応器２４を配置したキャビネット４２を用いている。周囲の空気がそこを通って四方に広がり、その結果、臭気成分分子が分離される。

一形態においては、複数のプラズマ反応器２４が装着用フランジ４４に取り付けられて、プラズマ反応器モジュール４６を形成している。このモジュールは、キャビネット４２に挿入され、プラズマ反応器２２を形成する。

いくつかの例における本明細書に開示された方法および装置の利点には、以下のものが含まれる。
−可変電源０−１００％による高い臭気除去効率。
−可動部品がないため機械的な摩耗がない。
−有害な化学物質、吸収剤、生体材料などの供給がない。
−ほとんど廃棄物がない。
−同等のプロセスと比較して投資コストおよび運用コストが比較的低い。
−粉塵、温度、湿度などのプロセス変動による影響がない。
−生産工程に影響がない。
−プロセス用エアフローを妨げない。
−３０００時間につき、または稼働中に手入れは１回だけでよく、メンテナンスの必要性がほとんどない。
−他の臭気制御システムよりエネルギ消費量が低い。
−起動またはシャットダウン手順がなく操作（オン／オフのみ）が簡単である。
−あらゆるエアフローに容易に適合するモジュール設計である。
−プラズマ反応器の外側に高電圧ワイヤまたはコネクタ（例えば＞２５０Ｖ）が露出していない。すべての高電圧ワイヤおよび接続部が、接地されたプラズマ反応器ケーシング内に安全に収容されている。
−非常にコンパクトであり、本開示の一実施形態では、ＷｘＨｘＤ＝０．４０ｘ０．７０ｘ０．７５ｍ（１６ｘ２８ｘ３０インチ）の寸法を有し、１７，０００ｍ^３／ｈ（１０，０００ｃｆｍ）で稼働する。
形成したＰＡＷおよび／またはＰＡＧを利用する用途には、
−細菌、
−細菌胞子、
−ウイルス
−真菌
−酵母
−バイオフィルム
−農薬、除草剤、殺藻剤
−殺虫剤、および
−化学物質
の分解がある。

図４を参照すると、フィルタ保持キャビネット４２は、化学フィルタまたは閉鎖式フィルタの分野で一般的に見られる。既存のキャビネット４２内、いくつかの例においては既存の装着用フランジ４４（図４）内に据え付け用プラズマ反応器を利用して実装することにより、改良設計を実施するにあたって必要となる変更が減少し、コスト削減、スペース削減、およびその他の改良をもたらす。図１を参照すると、このような据え付け型プラズマ反応器２４が示されており、このプラズマ反応器２４は、バヨネット式取付けアッセンブリを具えており、装着用フランジ４４に結合して、その中の開口部５８と実質的に整列している。例えばねじ付き構造または圧入構造などのその他の取付け構造も使用できる。次いで、プラズマ反応器２４を内部に設置した装着用フランジ４４をキャビネット４２内に挿入する。これにより、図１７および図１８のキャビネットの実施形態４２’および４２’’にそれぞれ示すように、インラインプラズマ濾過、ＰＡＷの生産およびＰＡＧの生産、またはプロセス用エアフロー（スタック）へのタンジェンシャルプラズマ挿入を提供するキャビネットを提供することができる。

図１に示す例の説明を続けると、一形態の外側ケーシング６０は、上部ユニット６２および下部ユニット６４を具え、これらは外形および直径がほぼ同じである。一形態においては、図３により詳細に見ることができるように、電気的クイックディスコネクト６６が設けられている。一旦プラズマ反応器２４が適所に配置されると、クイックディスコネクト６６により、電源および制御装置に電気的に簡単に接続することができる。一形態ではさらに、外側ケーシング６０の下部ユニット６４に空気導管が提供されている。これについてより詳細に説明する。一例における空気導管は、一般的に誘電体管と電極分割器との間の下側部分に入口を具える。一例では、下部ユニットと上部ユニットとの間に水蒸気バリアが提供され、一般的に水と他の腐食物に有害な高湿度環境に電子部品が接触するのを少なくする。一例において入口は、更に下部ユニット６４を取り囲む外側ケーシング６０の穿孔部分またはメッシュ部分を具えている。図２は、図１に示す装置から外側ケーシング６０を取り外したプラズマ反応器２４を示しており、内部構成要素がより明確に示されている。特に、上部ユニット６２は、上述の電気的クイックディスコネクト６６に加えて、変圧器ブラケット６８を具えている。上側変圧器７０および下側変圧器７２は、変圧器ブラケット６８に物理的に接続され、電気的クイックディスコネクト６６に電気的に接続されている。この例では、下部ユニット６４に所望の電圧を供給するため２つの変圧器が示されているが、別の構成も可能である。変圧器７０／７２を外側ケーシング内に配置することにより、ユニットの外のすべての電圧を大幅に低減することができ、ユニット全体の安全パラメータが高くなる。下部ユニット６４は、上部ユニット６２に取り外し可能に接続されている。

図３を参照すると、上部ユニット６２がより詳細に示されており、この上部ユニットは、上述した構成要素に加えて、複数の雌型電気カプリング７４および７６を具える。これは下部ユニット６４と上部ユニット６２との間の迅速な電気的切断の提供に利用される。

図１１を見ると、複数の雄型電気カプリング７８と７９を具える下部ユニット６４のより詳細な図が示されており、これらはそれぞれ雌型電気カプリング７４と７６と共に用いて、下部ユニット６４と上部ユニット６２との間を電気的に迅速に切断する構成を可能にする。図１１において、外側ケーシングの下側部分は、一般的に透明であり、内部構成要素を見る際に不明瞭にならないようにしている。使用時に、穿孔した材料またはメッシュ材料を使用して、外側ケーシングの下側部分を通って空気が流れるようにしている。図１５は、外側ケーシング６０に加えて、図２または図１４に見られるような、上側キャップ８０とコネクタ取付プレート８２を取り外した図を示す。図１５には、上側スペーサフランジ８４とボイド８９を画定する複数の表面を具える上側チューブアダプタ８６の構造を示す。これらのボイド８９は、誘電体管９０の整列に用いられる。誘電体管はこの例では上側スペーサフランジ８４から上側チューブアダプタ８６を通り、ボトムチューブアダプタプレート８８（図２２参照）を通り、ボトムチューブアダプタ１０４を通ってボトムキャップ９２に延在している。ボトムシリンダフランジ９４も設けられており、これは、下部ユニット６４の周囲に外側ケーシング６０のメッシュ部分または穿孔部分を整列させている。一実施形態では、上側キャップ８０、上側スペーサフランジ８４、上側チューブアダプタ８６、ボトムチューブアダプタ１０４およびボトムキャップ９２は、セラミックまたはその均等物などの非導電性材料で形成されている。図１５には、外側ケーシング内の下部ユニット６４に取り付けられた制御回路１４６も示されている。

図１９は、図１５に示す例から取り外したいくつかの要素を示す。上側チューブアダプタプレート１０６が示されており、これは各電極分割器１００の外側に延在し、接触している。説明を明瞭にするため、この図およびその他の図では、１個の電極のみが示されているが、隣接する各誘電体管９０の間に一の電極分割器１００が存在すると理解すべきである。下側部分の他端には、ボトムチューブアダプタプレート８８があり、これは図２０に詳細に示されている。上側チューブアダプタプレート１０６とボトムチューブアダプタプレート８８は、電極分割器１００を指標化し、位置決めし、電気的に接続する。一形態においては、上側チューブアダプタプレート１０６とボトムチューブアダプタプレート８８は、ステンレス鋼でできており、クリーニングが容易であり、電極分割器１００にアースを提供し、酸化しにくい。中心ロッド１１０は、いくつかの用途において、前述した雄型カプリング７９に連結されてもよい。上側チューブアダプタ１０６は、ばね鋼でもよい。

図１６を参照すると、２つの誘電体管９０端部の詳細を、外側ケーシング６０の一部に沿って見ることができる。一形態において、各誘電体管９０は、外側非導電性シリンダ９６と内側導電性シリンダまたはロッド９８とを有する複数の同心要素を具える。この図（図１６）は非常に概略的であり、必ずしも個々の構成要素の相対的な直径を示すものではない。一形態において、非導電性シリンダ９６は、セラミック材料からできているが、他の材料を使用することもできる。非導電性シリンダ９６内には、変圧器７０および／または７２に電気的に接続された導電性ロッドまたはシリンダ９８が設けられている。プラズマ（オゾン）またはＰＡＷ発生器として機能するように電極分割器１００が設けられており、アースにこれが電気的に接続されて、導電性ロッドまたはシリンダ９８と電極分割器１００との間に高い電圧差を提供している。ギャップ１０２を設けて、電極分割器１００と誘電体管９０との間に空気通路を提供している。ギャップ１０２と共働して非導電性シリンダ９６は、プラズマフィルタとしての動作に明らかに有害である、導電性ロッド９８と電極分割器１００との間を電気的に導通させるアーク放電および物理的接触を防止する。ギャップ１０２は、この視野角から確認することは困難であるが、当業者には理解できるであろう。

図１６および図２１に示すように、電極分圧器１００の例は、断面がほぼ円弧状のＶ字形状である。一実施例では、各電極分割器１００の凹状の円周方向外側面１４８は、隣接する誘電体管９０の外側面１５０に対向しており、外側面に実質的に沿っている。この円弧状のＶ字形状により、狭いほぼ線形のエアギャップ１０２をもつ硬質構造ができ、誘電体管９０と隣接する電極分割器１００との間に流体が流れるとベンチュリ効果をもたらす。フラットなＶ字形状の電極分割器を使用する従来のアプリケーションは、放電およびプラズマ／ＰＡＷ形成に利用可能な表面積が少ない。さらに、従来のフラットなＶ字形状の電極分割器は、また、同じ装置に使用すると電力容量が少なかった。ベンチュリ効果は、中央領域に向かって狭くなっている入口２００における、誘電体管９０と隣接する電極分割器１００との間の大きなギャップによって形成される。このギャップは、出口２０２に向かって再び大きくなる。誘電体管９０と隣接する電極分割器１００との間のギャップ１０２の狭小化により、ギャップ１０２を通過する空気の速度が増加し、空気を圧縮する。ベンチュリ効果は、流体がパイプの狭窄部を通って流れるときに生じる流体圧力の減少である。ベンチュリ効果は、イタリアの物理学者Ｇｉｏｖａｎｎｉ Ｂａｔｔｉｓｔａ Ｖｅｎｔｕｒｉ（１７４６−１８２２）にちなんで名付けられた。円弧状ｖ字形状は、一般的に、移動、配置、または磁気／重力による曲がりまたはねじれの影響を克服するのに十分な剛性を提供する。さらに、試験により、空気が非導電性シリンダ９６の円筒外側面と電極分割器１００の隣接する凹面との間のギャップ１０２を通過する際に、その間の放電領域内に高速空気領域が形成されることが示されている。この高速空気領域内では、空気流中に乱流が発生し、電子と空気（気体、蒸気）との接触が改善され、乱流と高速の組み合わせにより、汚れおよび汚染物質が誘電体管９０および電極分割器１００の外面上に蓄積するのを防ぐ。ベンチュリ効果は、プラズマの圧力降下を小さくすることによって装置のエネルギ効率を高める。

図５を参照すると、この例では、湿度制御された周囲空気１１２が、プラズマ注入器２２に入り、この実施形態においてはメッシュ／穿孔／スロット付きのケーシング６０の外側面である入口１１４を通ってプラズマ反応器２４に入る。この実施例では上部ユニットは示されていない。空気は、前述した誘電体管９０と電極分割器１００との間を通過するときに活性化され、ＰＡＷおよび（ＰＡＧ）を形成し、消毒するべき固体、液体、気体（表面）に集められるか、または向けることができる。次いで、このＰＡＧ１１６とＰＡＷは、出口１１８を通してプラズマ反応器２４を出る。一例では、ＰＡＧ１１６とＰＡＷはスタック２６の方を向いており、エアフロー２８内の領域１４２内で反応物（臭気）を急速に酸化させる。ＰＡＧ１１６とＰＡＷは、低速でも酸化し、ＰＡＷは最大１年まで反応する。この構成は、プラズマ注入器モデルを説明しており、プロセス用エアフロー２８が濾過装置を通過しないという点でインラインフィルタリングモデルとは異なる。

図８は、特定の臭気濃度（ｙ軸上にプロットされている）の臭気をフィルタリングするのに必要なエネルギ量（ｘ軸上にプロットされている）を示すグラフを示す。ボランティアのパネルを使用して臭気検出閾値を設定した。

図９は、地上レベルにおける標準希釈対スタックまでの距離の相関グラフを示している。初期斜面１４０は、地上レベルより上の排出スタックの高さに起因する。Ａのインジケータは、スタックから４，０００ｍの地点における未処理排気物質の検出閾値を示す。Ｂのインジケータは、同じ臭気を示しており、ここでは、排気物質が処理されているため、５００ｍが臭気検出閾値となる。より簡単な言い方をすれば、未処理の排気物質の臭いはスタックから４，０００ｍまで検出され得るが、処理をした排気物質はスタックから５００ｍを超えると感覚的に検出できなくなる。これは、腐敗した臭いの結果であり、未処理の排気物質より人にほとんど検出されない。この効果は、スタックから５００ｍと地点と４，０００ｍの地点の範囲に住人がある場合に非常に重要である。

図１０は、キャビネット制御回路の一例である電気回路図を示す。ドアが開かれたときに変圧器を電気的に切断するドアスイッチ１２０が特に重要である。この追加された安全機能は、プラズマ反応器を動かしている、または検査しているユーザを保護する。プラズマ発生に必要な高電圧が反応器２４内にのみ存在するという点で、図２の例で別の安全機能を達成できる。変圧器７０および７２自体が反応器内にあるため、反応器２４の外部のキャビネット内のすべての電気接点および導電体における電圧は非常に低く、より安全なものである。図１０には、装置の状態を示すインジケータ（ライト）１２２を利用した例も示されている。これらの構成要素は過熱して装置の故障を引き起こす可能性があるため、温度センサ１２４を利用して高電圧変圧器の温度を監視するようにしている。空気入口フィルタ（周囲注入）用の圧力センサを利用することもできる。ヒドロキシルおよびＰＡＷの生成を増加するため、必要に応じて温度および湿度センサを追加して、空気取入口の加湿器を制御することができる。高電圧成分は絶縁されているので、凝縮液／水が存在しても、導電経路がない。

図１３を参照すると、プラズマ注入器／消毒システム２０の一実施形態のフロー図が示されている。システムの第１部分は、プロセス１２８に空気を提供する周囲空気入口１２６を具える。このプロセスは、望ましくない臭気が発生し、プロセスにおいて消毒成分中に殺菌するべき汚染物質を含み得る食品包装、加工、製造、または他のプロセスである。この例におけるプロセス１２８は、一形態において、サイクロンまたはメッシュフィルタのような粒子フィルタ１３２につながる出口１３０を具える。フィルタの出口１３４内にプラズマを注入するプラズマ注入器２２が示されており、ここでプラズマおよびＰＡＷが、その中の臭気および汚染物質と反応し、任意の触媒を介して、送風機１３６を通って大気１３８に排出される。同様の例においては、プラズマ注入器２２が、プラズマ注入器２２への入力空気が濾過されるように、粒子フィルタ１３２の下流に設けられている。上述のように、その他の用途においては、粒子フィルタ１３２および／または送風機１３６を利用しなくてもよい。

図２１は、誘電体管９０および電極分割器１００の別の相対的な配置例を示す。他の構成要素は機能的に等価であるため、それらは図示しない。

図２３は、プラズマ反応器２４の上部ユニット６２が、隔離碍子１５２により下部ユニット６４と分離されている一例を示す。この構成により、ＰＡＷとプラズマの上部ユニット６２内の変圧器７０および７２への接触が減少する。冷却空気は、符号１５４において上部ユニットに入り、変圧器７０および７２を通過し、１６２から出てゆく。変圧器用冷却空気は、プロセス用空気１５６とは別であり、チャンバ１６０に入り、下部ユニット６４を通過し、１５８から出てゆく。

図２４は、液体（水、ジュース、ミルクなど）および／または固体（食品、飼料、表面）を含む潜在的に汚染された対象１６４の処理に使用する例を示す。この例では、図２３を参照して説明したように、プラズマ反応器２４に入るプロセス用空気１５６は、まず、乾燥器／冷却器１６６および／またはヒータ１６８にかけられ、プラズマ反応器２４に入るプロセス用空気１５６の温度および湿度を制御する。乾燥器／冷却器１６６またはヒータ１６８の上流または下流のプロセス用空気１５６に酸素（Ｏ_２）、窒素（Ｎ_２）、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）などの洗浄ガスおよび／または液体１７０を添加して、除染／消毒プロセスの効率を改善することもできる。この例においては、充填層スプレータワーまたはクーリングタワー反応器が、ガス／液体／固体１６４を混合するシステムに提供されており、プラズマ反応器２４からの反応生成物（プラズマ／ＰＡＷ）と接触して消毒または除染を行う。

処理すべき対象１６４は、スプレーノズル１７４で入力１７２であってもよく、出口１７８からチャンバ１７６を出てゆく。

図２４その他に示す例は、消毒／除染／処理をする対象１６４が、プラズマ放電プロセス（電子／イオン／光子）と直接接触する必要がないという点においてメリットがあるが、ＰＡＷ（蒸気または液滴）は、気相中の反応種（Ｏ_３、ＮＯ_ｘなど）と共にＰＡＷ中に存在する反応性酸素種（ＲＯＳ）、反応性窒素種（ＲＮＳ）を輸送するであろう。Ｎ．Ｎ．Ｍｉｓｒａ，Ｓｈａｓｈｉ Ｋｉｓｈｏｒ Ｐａｎｋａｊ，Ｔｏｎｙ Ｗａｌｓ，Ｆｉｎｂａｒｒ Ｏ‘ＲｅｇａｎおよびＰａｕｌａ Ｂｏｕｒｋｅによるダブリン工科大学のＡＲＲＯＷ＠ＤＩＴ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｆｏｏｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｈｅａｌｔｈの公的に利用可能な２０１４年の論文は、初歩のプラズマ反応器を使用する除染方法としてＰＡＷを暴露することのメリットを説明している。

図２５は、前述のプラズマ反応器２４を利用した容器内消毒装置を示しており、そこでは、処理すべき対象１６４を、物質用入口１８２に挿入するなどにより、領域１８０内に配置する。ＰＡＷおよびその他の消毒用生成物１７０は、入口１８６を通って任意のファン１８４により送風され、対象１６４との反応後、出口１８８から領域１８０を出る。

図２６は、処理すべき対象１６４を中に配置したバッグ１９０を用いた処理装置を示す。この装置は、入口導管１９２を通過してバッグ１９０に入る処理済用空気のみを処理する必要があるという点でメリットがあり、この処理済空気は、戻り導管１９４を介して対象１６４と接触した後にプラズマ反応器２４に戻すことができるという利点がある。

図２７は、空気ダクトとサイクロン分離器の表面の除染に使用した例を示す。この実施例では、プラズマ反応器２４に沿ってサイクロン１９８に連結されたダクト１９６を利用して、ＰＡＷエアフローを消毒すべき表面へと向ける。酸素（Ｏ_２）、窒素（Ｎ_２）、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）などのクリーニングガス１７０および／または液体１７０をプロセス用空気に添加することもできる。その後、処理済み空気およびＰＡＷをダクト１９６およびサイクロン分離器１９８内へと循環させ、そこで処理済み空気および／またはＰＡＷをその内部表面上に堆積させて、空気ダクトおよび／またはサイクロン内のその他の対象物（食品、器具、製品など）と共に消毒する。図示するように、ダクト１９６およびサイクロン１９８内を循環する空気の一部を、プロセス用空気として使用して、効率を高めるようにしてもよい。温湿度制御要素を組み込んで、さらに効率を改善することもできる。

試験では、ＰＡＷが長期間（一部のアプリケーションでは最大１年）反応性を保持でき、後に使用するために保管可能であることが証明されている。

プラズマ反応器セル２４は、汚染物質を、
・空気またはガス（任意の空間：保管室、製品包装／バッグ、病院など）
・液体（水、ジュース、ミルクなど）
・固体（食品、飼料、皮膚など）
の上／内で処理するための反応種（例えば、プラズマおよびＰＡＷ）を生成する反応器として使用できる。

必要に応じて、反応種の形成は、湿度、温度（生成物／表面上で制御され凝縮している）およびＯ_２／Ｎ_２／Ｈ_２Ｏ_２／Ｈ_２Ｏなどの気体／液体の添加を制御して達成でき、そのことにより効率を改善する。

湿度は、最大でほぼ１００％であってもよい。なぜなら、低い圧力降下で非常に高速の空気／ガス／蒸気の流れる誘電体管９０と電極分割器１００との間の特別なベンチュリ形状のエアフロー設計（図１６に示すように、幅広／狭幅／幅広からのスムーズな移行）で、小さなガス放電ギャップ１０２にまたがる導電経路を防ぐためである。また、高電圧導電体９８は、１００％密封されて、非導電性シリンダ９６によって処理用空気／ガス／蒸気から隔離されているため、常に正しいガス放電プロセスとなり、短絡の危険性がほとんどなくなる。

プラズマ反応器２４内の動作温度は、その最高温度のため、反応器が全て金属およびセラミック部品（必要に応じてセラミックシーラントを含む）でできており、非常に高くすることができる。１つの用途においては、必要であれば、過熱蒸気、その他を処理するため、動作温度は８００℃を越えることがある。この処理は、例えば、食品／飼料を処理したり、汚染物質を分解する押出機または反応器のような処理にプラズマ活性蒸気を注入するにあたって使用することができる（例えば、図２４を参照して上述したように）。さらに、このプラズマ活性蒸気反応器は、定量プラズマ反応器内の温度を上昇することによって印加される放電力に応じて、蒸気圧を上げることができる。また、プラズマ活性化蒸気は、空間内、またはプロセス中の湿度の制御に用いることもでき、プロセスガスまたは蒸気中に酸素がない場合には、オゾンを発生させることなく（または、ごくわずかなオゾンが発生するだけで）汚染物質（上記のように）の制御に使用できる。

水性オゾン（水中に溶解したＯ_３）による処理は、十分に確立されている（衛生／消毒／漂白）。いくつかの実施形態において開示されたプラズマ反応器は、図２４に示す例のように、スプレータワー、充填層またはエアレータなどを通してＰＡＷの流れを混合する際に、さらなる反応種（プラズマおよびＰＡＷ）を水性オゾンに添加して利用できる。

さらに、本明細書に記載のプラズマ反応器は、水性オゾン蒸気（または凝縮器内で蒸気を凝縮する際には液体）の生成に利用することもできる。このような水性オゾン蒸気を形成するプロセスは、空間を循環するときに非常に高い（＞６，０００ｐｐｍ）高濃度のオゾンを生成し（最初に空間を乾燥酸素で満たしたとき、高濃度のオゾンが生成される）、次いで、水蒸気を添加するステップを具える。

プラズマ反応器およびプロセスは、任意の濃度の過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）を含む水蒸気を添加することにより、反応種の濃度をさらに増加させ、追加のヒドロキシルラジカル（ＯＨ）を生成することができる。

さらに、プラズマ反応器とそのプロセスは、空気または窒素を添加することにより、反応種の濃度をさらに上げて高ＲＮＳなどを生成することができ、化学的性質が所望の用途に適するまで温度／湿度（生成物／表面上の凝縮）を制御して調整できる。

このプロセスは、インライン処理によって、またはプラズマ反応器を通して空気／ガス／蒸気を循環させて反応種の濃度を上げることによって達成することができる。本発明は、いくつかの実施形態を記載することによって説明されており、実施形態が詳細に説明されているが、特許請求の範囲をそのような詳細に制限または何らかに限定することは本出願人の意図ではない。例えば、上側変圧器および下側変圧器という用語は、別個の変圧器を区別するために使用しているが、これらの用語は、重力または任意の外部基準に関連するものとして解釈するべきではない。添付の特許請求の範囲内のさらなる利点および変更は、当業者には容易に明らかにできると思われる。したがって、より広い態様における本発明は、特定の詳細、代表的な装置および方法、および図示、説明される例示的な例に限定されない。このことから、出願人の一般概念の精神または範囲から逸脱することなく、このような詳細を発展できる。例えば、セクション（ユニット）６２および６４は、迅速な着脱を伴わずに取り付けることができ、セクション６２は、別の制御ボックスに取り付けられてもよい。または、キャップ９２とフランジ９４との間に（粒状またはハニカム）触媒コンバータ（触媒）を配置してプラズマシステムがインラインで動作するときに、残留（部分的に酸化した）ガス汚染物質およびオゾンを酸化することができる。このプロセスでオゾンが分解されると、酸素ラジカルが生成され、残留ガス汚染物質をさらに酸化する。

ｖ字形状または円弧状のｖ形アース電極の代わりに、チューブが高電圧とアース電極を切り替えるようにして、ｖ字形状または円弧状のｖ形アース電極の必要性をなくすようにしてもよい。

Claims (17)

1. プラズマ反応器アッセンブリにおいて、前記プラズマ反応器アッセンブリは、
   ａ．ケーシングであって、
   ｉ． 流体入口と、
   ｉｉ． 流体出口と、
   ｉｉｉ．入力電源と、
   ｉｖ． 電源コネクタと、を具えるケーシングと、
   ｂ．少なくとも１つの昇圧変圧器と、
   ｃ．前記電源コネクタと電気的に導通する前記変圧器と、
   ｄ．前記変圧器と電気的に導通する複数のほぼ平行な誘電体管と、
   ｅ．各誘電体管の間に配置された少なくとも１つの円弧状のｖ形電極分割器であって、各電極分割器と、隣接する各誘電体管との間に流体用ギャップを有する電極分割器と、を具えており、
   ｆ．前記誘電体管と前記電極分割器との間を除いて前記流体入口と前記流体出口との間に流体経路がないことを特徴とするプラズマ反応器アッセンブリ。
2. 請求項１に記載のプラズマ反応器アッセンブリにおいて、各誘電体管が、
   ａ．外側セラミック管と、
   ｂ．内側金属電極管と、
   ｃ．中央高電圧リードと、
   を具えることを特徴とするプラズマ反応器アッセンブリ。
3. 請求項１に記載のプラズマ反応器アッセンブリにおいて、前記ケーシングが、
   ａ．内部に前記変圧器ブラケットと変圧器とを収容する上部ユニットと、
   ｂ．内部に前記誘電体管と前記電極分割器とを具える下部ユニットと、
   ｃ．前記上部ユニットと前記下部ユニットとの間の取外し可能な物理的接続および取外し可能な電気的接続と、を具えることを特徴とするプラズマ反応器アッセンブリ。
4. 請求項１に記載のプラズマ反応器アッセンブリにおいて、前記ケーシングが、バヨネット型カップリングの第１の半体であって、キャビネットハウジング上に提供されたバヨネット型カプリングの第２の半体に動作可能に結合するように構成された第１の半体を具えることを特徴とするプラズマ反応器アッセンブリ。
5. 請求項４に記載のプラズマ反応器アッセンブリが更に、
   ａ．キャビネットドアと、
   ｂ．前記キャビネットドアが閉じられているときにのみ電気が前記外側ケーシングの前記電力入口に提供されるように構成されたドアスイッチと、
   を具えることを特徴とするプラズマ反応器アッセンブリ。
6. 請求項１に記載のプラズマ反応器アッセンブリにおいて、各変圧器が、前記誘電体管への高周波、高電圧出力を具えることを特徴とするプラズマ反応器アッセンブリ。
7. 請求項１に記載のプラズマ反応器アッセンブリにおいて、前記ケーシングが、既存の化学フィルタまたはバリアフィルタの前記ハウジングと同一の形状および大きさを有しており、電源に電気的に接続されたときに組み込みを提供することを特徴とするプラズマ反応器アッセンブリ。
8. 請求項１に記載のプラズマ反応器アッセンブリにおいて、
   ａ．前記ケーシングの前記流体入口および前記流体出口が、生産プロセスのベントスタックとインラインであり、急速酸化によって前記ベントスタックを通過する前記流体を処理する、ことを特徴とするプラズマ反応器アッセンブリ。
9. 請求項１に記載のプラズマ反応器アッセンブリにおいて、
   前記ケーシングの前記流体出口は、生産プロセスのベントスタックに対して接線方向にあり、前記ベントスタック内に前記流体と急速酸化によって順に反応するプラズマを供給することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ反応器アッセンブリ。
10. 請求項１に記載のプラズマ反応器アッセンブリにおいて、前記外側ケーシングの前記流体出口が、前記誘電体管によって生成されるオゾンとの接触によって再生される化学反応フィルタから選択された化学反応または触媒フィルタと流体連通することを特徴とするプラズマ反応器アッセンブリ。
11. 請求項１に記載のプラズマ反応器アッセンブリにおいて、前記外側ケーシングが実質的に円筒形であることを特徴とするプラズマ反応器アッセンブリ。
12. 化学フィルタまたはバリアフィルタをプラズマ反応器アッセンブリで置き換える方法において、当該方法が、
    ａ．
    ｉ． 流体入口と、
    ｉｉ． 流体出口と、
    ｉｉｉ．入力電源と、
    ｉｖ． 電源コネクタと、
    を具える外側ケーシングを有するプラズマ反応器を提供するステップと、
    ｂ．前記外側ケーシングに結合された変圧器ブラケットを提供するステップと、
    ｃ． 前記電源コネクタと電気的に導通する前記変圧器ブラケットに取付けられた少なくとも１つの昇圧変圧器を提供するステップと、
    ｄ．前記変圧器と電気的に導通する複数のほぼ平行な誘電体管を提供するステップと、
    ｅ．各誘電体管の間に配置された少なくとも１つの円弧状のｖ形電極分割器を提供するステップであって、各電極分割器と、隣接する各誘電体管との間に流体用ギャップを有するステップと、
    ｆ．前記誘電体管と前記電極分割器との間を除いて前記流体入口と前記流体出口との間に流体経路がないステップと、
    ｇ．既存のケミカルフィルタまたはバリアフィルタを取外すステップと、
    ｈ．前記ケミカルフィルタまたはバリアフィルタを取外すことによって開いた空間に前記プラズマ反応器を設置するステップと、
    ｉ．前記プラズマ反応器に電源を接続するステップと、を具えることを特徴とする方法。
13. 消毒方法または殺菌方法において、当該方法が、
    ａ．
    ｉ． 流体入口と、
    ｉｉ． 流体出口と、
    ｉｉｉ．入力電源と、
    ｉｖ． 電源コネクタと、
    を具えるケーシングを提供するステップと、
    ｂ．電源コネクタと電気的に導通する少なくとも１つの昇圧変圧器を提供するステップと、
    ｃ．前記変圧器と電気的に導通する複数のほぼ平行な誘電体管を提供するステップと、
    ｄ．各誘電体管の間に流体用ギャップを有して配置された少なくとも１つの円弧状のｖ形電極分割器を提供するステップと、
    ｅ．前記誘電体管と前記電極分割器との間を除いて、前記流体入口と前記流体出口との間に流体経路がないステップと、
    ｆ．前記流体出口の流体出力を消毒すべき物質に向けるステップと、
    を具えることを特徴とする方法。
14. 請求項１３に記載の消毒方法が更に、前記流体入口に入る流体の湿度を操作するステップを具えることを特徴とする方法。
15. 請求項１３に記載の消毒方法が更に、酸素（Ｏ_２）、窒素（Ｎ_２）、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）および水（Ｈ_２Ｏ）からなるリストから選択された反応物を前記流体入口または前記流体出口に添加するステップを具えることを特徴とする消毒方法。
16. 請求項１３に記載の消毒方法が更に、前記流体出力の温度を制御するステップを具えることを特徴とする消毒方法。
17. 請求項１３に記載の消毒方法において、当該消毒工程が更に、酸化を改善する化学物質に前記流体出力を適用するステップを具えることを特徴とする消毒方法。

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