JP2022190472A - プラズマ発生ユニット、プラズマ発生装置及び殺菌システム - Google Patents
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Abstract
【課題】周囲空気を取り込んで、取り込んだ周囲空気を効率的に、かつ効果的に殺菌処理することを可能とする。【解決手段】平板状の第１電極１６ａと、前記第１電極と実質的に同一の平面形状を有する平板状の第２電極１６ｂとが所定の間隙を隔てて平面同士が対向するように設けられてなるプラズマ生成部を備え、２以上の前記プラズマ生成部がその厚さ方向に互いに所定の間隔を置いて積層配置されるように各前記プラズマ生成部の両側部を支持するように構成された間隔部材１２を有し、各前記プラズマ生成部の第１及び第２電極の間に所定の交流電圧を印加することにより、各前記プラズマ生成部の第１及び第２電極の間に大気圧低温プラズマを生成させるプラズマ発生ユニット１０である。【選択図】図２
Description
本発明は、プラズマ発生ユニット、プラズマ発生装置及び殺菌システムに関する。
新型コロナウイルスの世界的な感染拡大に伴って、ウイルスの不活化を含む様々な殺菌処理に対するニーズが高まっている。特に新型コロナウイルスでは飛沫感染、エアロゾル感染が主要な感染ルートの一つと考えられており、環境空気中に浮遊するウイルスを効果的に不活化する技術が求められている。従来、プラズマガスを処理対象物の表面に照射することによって殺菌処理を実現する技術が知られている。またプラズマガスに周囲空気を接触させることで空気中のウイルスを不活化したり細菌を死滅させたりする環境殺菌処理も提案されている。
例えば特許文献１はプラズマを用いた空気清浄装置に関し、「プラズマ処理対象の空気入口と吹き出し口を備えた筐体に、空気流れを乱流状態にし、かつ、誘電体バリア放電ナローギャッププラズマを発生する多数の電極をマトリクス（行列）状に配置し、該電極が生成するプラズマと、ウイルス、病原菌、カビ毒等を含む空気と、を効率よく、接触、混合させる」（要約書）構成を提案している。
しかしながら、特許文献１に記載されている装置では、棒状の電極周囲にプラズマを発生させて周囲空気との混合を図るため、依然としてプラズマガスと電極周囲を流れる空気との接触・混合が不十分であり、プラズマ処理がなされていない空気が装置下流に排出されてしまうおそれがあるという問題が考えられる。
本発明は、上記の及び他の課題を解決するためになされたもので、周囲空気を取り込んで、取り込んだ周囲空気を効率的に、かつ効果的に殺菌処理することを可能とするプラズマ発生ユニット、プラズマ発生装置及び殺菌システムを提供することを一つの目的としている。
上記の及び他の目的を達成するための、本発明の一態様は、平板状の第１電極と、前記第１電極と実質的に同一の平面形状を有する平板状の第２電極とが所定の間隙を隔てて平面同士が対向するように設けられてなるプラズマ生成部を備え、２以上の前記プラズマ生成部がその厚さ方向に互いに所定の間隔を置いて積層配置されるように各前記プラズマ生成部の両側部を支持するように構成された間隔部材を有し、各前記プラズマ生成部の第１及び第２電極の間に所定の交流電圧を印加することにより、各前記プラズマ生成部の第１及び第２電極の間に大気圧低温プラズマを生成させるプラズマ発生ユニットである。
本発明の一態様によるプラズマ発生装置は、前記プラズマ発生ユニットと、前記プラズマ発生ユニットが備える各前記プラズマ生成部の第１及び第２電極間に所定の交流電圧を印加するように構成されているプラズマ電源部とを備えている。
前記プラズマ電源部は、前記プラズマ生成部において生成されているプラズマの状態に応じて調整される交流電圧を第１及び第２電極に供給するものとすることができる。
また本発明の一態様による殺菌システムは、前記プラズマ発生装置と、前記プラズマ発生装置の前記プラズマ生成部に前記第１及び第２電極の間に形成されている間隙に対向するように配置された送風ユニットと、前記間隙と前記送風ユニットとの間に配置されたオゾン分解フィルターとを備えている。
本発明によれば、周囲空気を取り込んで、それぞれが扁平な、複数のプラズマ生成空間を通過させることにより、取り込んだ周囲空気がプラズマ生成空間内で効率的にプラズマと接触してその殺菌処理を行うことが可能となるプラズマ発生ユニット、プラズマ発生装置及び殺菌システムが提供される。
以下、本発明につき、その実施形態に即して図面を用いて説明する。
図１～図４に、一実施形態に係るプラズマ発生ユニット１０の構成例を示している。図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマ発生ユニット１０の斜視図、図２は、図１のプラズマ発生ユニット１０の部分横断面図、図３は、図１のプラズマ発生ユニット１０の平面図、図４は、プラズマ発生ユニット１０を動作させるためのプラズマ発生回路の構成例を示す図である。
図１に示すように、本実施形態のプラズマ発生ユニット１０は全体として矩形平面を有する直方体状に形成されている。図１に白抜き矢印で示しているように、プラズマ発生ユニット１０の紙面手前側正面から周囲空気が吸気され、プラズマ発生ユニット１０内の複数の流路を通過して反対側の背面から排気される。
図２に示すように、プラズマ発生ユニット１０内に形成されている空気流路はそれぞれ扁平なスリット状を呈している。ここでは各流路をプラズマ生成ギャップＧと呼ぶ。一つのギャップＧはプラズマ生成用の第１電極１６ａと第２電極１６ｂとの間に形成されている。第１電極１６ａと第２電極１６ｂとは、それぞれ矩形平板状の金属板で、本実施形態ではアルミニウム板であるが、ステンレス板等の他の導電性材料でもよい。第１電極１６ａと第２電極１６ｂの互いに対向する表面にはそれぞれ誘電体層１４が設けられており、各誘電体層１４を間隔部材であるセパレータ１２によって離隔させつつ互いに平行となるように支持している。誘電体層１４は、例えばガラスの層として形成することができる。本実施形態では対向する第１電極１６ａ、第２電極１６ｂ両方の表面に誘電体層１４を設けているが、いずれか一方の電極表面にだけ設けてもよい。
本実施形態の場合、各プラズマ生成ギャップＧの高さは２ｍｍ、第１電極１６ａ、第２電極１６ｂの厚さは各２ｍｍに設定され、図１に模式的に示すように、プラズマ発生ユニット１０の高さ方向に適宜の数（例えば３０～４０段程度）のギャップＧが設けられる。セパレータ１２は、電気絶縁性の樹脂材料等で形成し、各電極厚さ２ｍｍを考慮して、本実施形態では各６ｍｍ厚とされている。また各ギャップＧの幅は約２００ｍｍ、ギャップＧの流れ方向に沿った奥行きは約３００ｍｍに好適に設定されるが、ギャップＧの数、寸法はこれに制約されることなく設計上の要請、例えば所要の空気流量に応じて定めることができる。
後述するように、第１電極１６ａと第２電極１６ｂとの間に所定の交流電圧を印加することにより、第１電極１６ａと第２電極１６ｂとの間のプラズマ生成ギャップＧにおいて誘起される誘電体バリア放電に基づいて、電極間に大気圧低温プラズマが発生し、ギャップＧ内の空気、水蒸気に作用して、公知のように、例えば一重項酸素（１Ｏ２）、オゾン（Ｏ３）、ヒドロキシラジカル（ＯＨ）、スーパーオキシドアニオンラジカル（Ｏ２
－）、ヒドロペルオキシラジカル（ＨＯ２）、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）のような種々のラジカルを含む活性酸素種が生成される。プラズマ発生ユニット１０の各ギャップＧを通過する空気は各ギャップＧ内で連続的に面状に広がって発生するプラズマに接触しながら流れる。各ギャップＧに吸入される周囲空気に含まれているウイルス、細菌等の微生物は、ギャップＧ内でプラズマと接触することで、マイクロ秒オーダーのごく短時間で構造が破壊され、また前記活性酸素種を含むマルチプラズマガスと混合されることでウイルスの不活化、微生物の殺菌が行われる。
図４に本実施形態のプラズマ発生ユニット１０に適用されるプラズマ発生回路の構成例を示している。プラズマ発生回路は、第１電極１６ａと第２電極１６ｂとからなる各電極対に接続された昇圧部２４と、昇圧部２４に交流電流を供給するインバータ２２とを有するプラズマ電源部２０を備える。プラズマ電源部２０としては、ネオン管の点灯に用いられる一般的なネオントランスを採用することができる。
プラズマ電源部２０のインバータ２２には、外部電源からＤＣ１２Ｖが入力される。インバータ２２は、入力直流電圧に応じて制御された交流電圧を出力して昇圧部２４に供給する。インバータ２２は、制御すべき電力に見合った容量が確保されていれば、制御方式、スイッチング素子の形式等は適宜選択すればよい。本実施形態では、インバータ２２の機能として、入力直流電圧に応じた交流電圧を出力するものとし、例えばＤＣ１Ｖ印加時にＡＣ１ｋＶ、ＤＣ９Ｖ印加時にＡＣ９ｋＶを出力すると言ったように、入力電圧に比例した交流電圧を出力するように構成することができる。具体的には、電極間距離、電極の材質、平面寸法、厚さ等のパラメータによって出力電圧を制御するように構成する。なお、交流周波数は適宜決定すればよい。
本プラズマ発生ユニット１０ではバリア放電を使用しているが、電極間電圧が低いと放電が発生せず、また電極間電圧が高いと火花放電やアーク放電に移行してしまい、プラズマによる活性種の生成効率低下、放電が特定箇所に集中することによる電極の破損につながる。本実施形態では、電極間に印加する交流電圧を制御することで安定したバリア放電を維持するようにしている。また、電極間に印加する交流電圧を制御することで、有害なオゾン（Ｏ３）の生成を抑制しながら活性酸素種を含むマルチプラズマガスを効率的に生成するように構成している。
次に、プラズマ発生ユニット１０を用いた殺菌システムについて説明する。図５に、ここまで説明したプラズマ発生ユニット１０を用いて構成した殺菌システム１００の分解斜視図を模式的に示している。
殺菌システム１００は、周囲空気を吸入する吸気側から順に、オゾン分解フィルター３０、プラズマ発生ユニット１０、オゾン分解フィルター３０、オゾンセンサ４０、及び電動ファン５０を設けて構成されている。図５には、これらの構成要素を周囲空気の流路に沿って配置した状態を簡易的に示しているが、これらの構成要素を、例えば筒状のハウジングに収装することにより殺菌システム１００を実現することができるものである。
プラズマ発生ユニット１０は例えば図１～図４によって説明したような構成を備えることができる。プラズマ発生ユニット１０の上流側、下流側にそれぞれ配置されるオゾン分解フィルター３０は、プラズマ発生ユニット１０のプラズマによって生成される様々な活性種のうち、人体に有害で独特の臭気を伴うオゾン（Ｏ３）がシステム１００の外部に流出することを防止する目的で設けられる。オゾン分解フィルター３０としては、コピー機などに利用されている汎用のオゾン分解フィルターから適宜選択して採用することができる。オゾン分解フィルター３０の形状寸法も、適用する殺菌システム１００の仕様に応じて定めればよい。なお、プラズマ発生ユニット１０の上流側にもオゾン分解フィルター３０を設けているのは、プラズマ発生ユニット１０から流路を逆流してオゾンが外部に出ないようにするためである。この点で問題がなければ上流側のオゾン分解フィルター３０は省略してもよい。
オゾンセンサ４０は、プラズマ発生ユニット１０の後段にあるオゾン分解フィルター３０の下流側において排気に含まれるオゾン濃度を測定するセンサデバイスである。オゾンセンサ４０としては、高感度の半導体式ガスセンサを好適に採用することができ、その出力をモニタすることによって、作業環境における許容濃度である０．１ｐｐｍ以下（日本産業衛生学会「許容濃度等の勧告（２０２０年度）」産業衛生学雑誌、2020; 62(5): 198-230）となるようにプラズマ発生ユニット１０の運転・停止を制御するように構成することができる。
送風ユニットとしての電動ファン５０は、殺菌システム１００の排気ファンとして機能する。電動ファン５０を排気方向に動作させることにより、殺菌システム１００内に周囲空気が導入されてプラズマ発生ユニット１０を通過するときにプラズマにより殺菌される。
図６には、図５の殺菌システム１００における制御回路の構成例を示している。図６に示すように、制御回路には、ＤＣ電源部６０、プラズマ電源部２０、制御部７０、入出力部８０が設けられている。
殺菌システム１００にはＡＣ１００Ｖ、５０／６０Ｈｚの商用電源が供給され、まずＤＣ電源部６０によって制御回路用電源であるＤＣ２４Ｖ、ＤＣ５Ｖ、プラズマ発生ユニット１０の動作電源であるＤＣ１２Ｖが生成される。制御部７０は殺菌システム１００全体の動作制御を管理する機能部であり、例えばマイクロプロセッサモジュールを用いて構成することができる。入出力部８０は操作ボタン、タッチパッド等の入力デバイスと、ＬＥＤランプ、液晶ディスプレイ等の出力デバイスとを含むことができる。
制御部７０による制御内容としては、次のような事項が考えられる。
・入出力部８０からの入力信号によるプラズマ電源部２０のオンオフ制御
・オゾンセンサ４０からの濃度信号に基づくプラズマ電源部２０のオンオフ制御
・プラズマ電流値検出に基づくプラズマ電源部２０の出力電圧制御
もちろん上記以外の制御を実行するように構成してもよい。
・入出力部８０からの入力信号によるプラズマ電源部２０のオンオフ制御
・オゾンセンサ４０からの濃度信号に基づくプラズマ電源部２０のオンオフ制御
・プラズマ電流値検出に基づくプラズマ電源部２０の出力電圧制御
もちろん上記以外の制御を実行するように構成してもよい。
以上説明した実施形態の殺菌システム１００によれば、プラズマ発生ユニット１０が生成する大気圧低温プラズマにより周囲空気を効率的に殺菌することができる。また、生成されるプラズマの状態に応じてプラズマ電源部２０の出力電圧が制御されるので、安定した大気圧低温プラズマを継続して生成することができる。
なお、本発明の技術的範囲は上記の実施形態に限定されることはなく、他の変形例、応用例等も、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内に含まれるものである。
１０ プラズマ発生ユニット
１２ セパレータ
１４ 誘電体層
１６ａ 第１電極
１６ｂ 第２電極
２０ プラズマ電源部
２２ インバータ
２４ 昇圧部
３０ オゾン分解フィルター
４０ オゾンセンサ
５０ 電動ファン
６０ ＤＣ電源部
７０ 制御部
８０ 入出力部
１００ 殺菌システム
Ｇ プラズマ生成ギャップ
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Claims (4)
- 平板状の第１電極と、前記第１電極と実質的に同一の平面形状を有する平板状の第２電極とが所定の間隙を隔てて平面同士が対向するように設けられてなるプラズマ生成部を備え、
２以上の前記プラズマ生成部がその厚さ方向に互いに所定の間隔を置いて積層配置されるように各前記プラズマ生成部の両側部を支持するように構成された間隔部材を有し、
各前記プラズマ生成部の第１及び第２電極の間に所定の交流電圧を印加することにより、各前記プラズマ生成部の第１及び第２電極の間に大気圧低温プラズマを生成させる、
プラズマ発生ユニット。 - 請求項１に記載のプラズマ発生ユニットと、
前記プラズマ発生ユニットが備える各前記プラズマ生成部の第１及び第２電極間に所定の交流電圧を印加するように構成されているプラズマ電源部と
を備えているプラズマ発生装置。 - 前記プラズマ電源部は、前記プラズマ生成部において生成されているプラズマの状態に応じて調整される交流電圧を第１及び第２電極に供給する、
請求項２に記載のプラズマ発生装置。 - 請求項２又は３に記載のプラズマ発生装置と、
前記プラズマ発生装置の前記プラズマ生成部にある間隙に対向するように配置された送風ユニットと、
前記間隙と前記送風ユニットとの間に配置されたオゾン分解フィルターと
を備えている殺菌システム。
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| WO2022265006A1 (ja) | 2022-12-22 |
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