JP2023098525A - 活性酸素供給装置、活性酸素による処理装置及び活性酸素による処理方法 - Google Patents

活性酸素供給装置、活性酸素による処理装置及び活性酸素による処理方法 Download PDF

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Abstract

【課題】被処理物の表面に活性酸素をより効率的に供給し得る活性酸素供給装置。【解決手段】加湿装置と、少なくとも一つの開口部を有する筐体と、該開口の内部に所定のプラズマアクチュエータとを具備し、該加湿装置は、該筐体の内部を加湿し、該誘起流中に活性酸素を発生させ、該誘起流は該活性酸素を含む誘起流となり、該プラズマアクチュエータ及び該加湿装置は、該活性酸素を含む該誘起流が、該開口部から該筐体の外に流出するように配置されていることを特徴とする、活性酸素供給装置。【選択図】図1

Description

本開示は、活性酸素供給装置、活性酸素による処理装置及び活性酸素による処理方法に向けたものである。
近年、オゾン発生器は、室内や車内の空気清浄、冷蔵庫内の脱臭、院内での殺菌などに広く普及している。これは、オゾンが強い酸化力を有するためである。また、オゾンを加湿すると、オゾンが分解する。その際、オゾンは一度、より酸化力の強い活性酸素になり、のちに酸素に分解される。
特許文献1は、ケーシング内を加湿する手段によって予め当該ケーシング内を加湿し、被処理物を湿潤状態とした後、湿潤状態の被処理物とオゾンとを接触させることで、活性酸素による高い殺菌作用を得る方法を開示している。
特開平10-328279号公報
本発明者らが、特許文献1に係る殺菌方法による除菌性能について検討したところ、従来のオゾンのみを用いた除菌方法による除菌性能と同等程度である場合があった。活性酸素の除菌能力は、本来オゾンの除菌能力をはるかに上回ると言われているところ、このような検討結果は予想外のものであった。
本開示の一態様は、被処理物の表面に活性酸素をより効率的に供給し得る活性酸素供給装置、被処理物の表面を活性酸素でより効率的に処理し得る活性酸素による処理装置、及び、被処理物の表面を活性酸素でより効率的に処理し得る活性酸素による処理方法の提供に向けたものである。
本開示の少なくとも一つの様態によれば、
加湿装置と、
少なくとも一つの開口部を有する筐体と、該筐体の内部にプラズマアクチュエータとを具備し、
該プラズマアクチュエータは、第1の電極、誘電体及び第2の電極がこの順に積層されてなり、
該第1の電極は、該誘電体の一方の表面である第1の表面上に設けられた露出電極であり、
該プラズマアクチュエータは、該第1の電極と該第2の電極との間に電圧を印加することで、該第1の電極から該第2の電極に向かう誘電体バリア放電を生じ、該第1の電極から該誘電体の表面に沿った一方向である第1方向にオゾンを含む誘起流を吹き出すものであり、
該加湿装置は、該筐体の内部を加湿し、該誘起流中に活性酸素を発生させ、該誘起流は該活性酸素を含む誘起流となり、
該プラズマアクチュエータ及び該加湿装置は、該活性酸素を含む該誘起流が、該開口部から該筐体の外に流出するように配置されている、活性酸素供給装置が提供される。
また、本開示の少なくとも一つの様態によれば、
被処理物の表面を活性酸素で処理する処理装置であって、
加湿装置と、
少なくとも一つの開口部を有する筐体と、該筐体の内部にプラズマアクチュエータとを具備し、
該プラズマアクチュエータは、第1の電極、誘電体及び第2の電極がこの順に積層されてなり、
該第1の電極は、該誘電体の一方の表面である第1の表面上に設けられた露出電極であり、
該プラズマアクチュエータは、該第1の電極と該第2の電極との間に電圧を印加することで、該第1の電極から該第2の電極に向かう誘電体バリア放電を生じ、該第1の電極から該誘電体の表面に沿った一方向である第1方向にオゾンを含む誘起流を吹き出すものであり、
該加湿装置は、該オゾンを含む該誘起流を加湿し、該誘起流中に活性酸素を発生させ、該誘起流は該活性酸素を含む誘起流となり、
該プラズマアクチュエータ及び該加湿装置は、該活性酸素を含む該誘起流が、該開口部から該筐体の外に流出するように配置されている、活性酸素による処理装置が提供される。
さらに、本開示の少なくとも一つの態様によれば、
被処理物の表面を活性酸素で処理する処理方法であって、
活性酸素による処理装置を用意する工程を有し、
該活性酸素による処理装置は、加湿装置と、少なくとも一つの開口部を有する筐体と、該筐体の内部にプラズマアクチュエータとを具備し、
該プラズマアクチュエータは、第1の電極、誘電体及び第2の電極がこの順に積層されてなり、
該第1の電極は、該誘電体の一方の表面である第1の表面上に設けられた露出電極であり、
該プラズマアクチュエータは、該第1の電極と該第2の電極との間に電圧を印加することで、該第1の電極から該第2の電極に向かう誘電体バリア放電を生じ、該第1の電極から該誘電体の表面に沿った一方向である第1方向にオゾンを含む誘起流を吹き出すものであり、
該加湿装置は、該オゾンを含む該誘起流を加湿し、該誘起流中に活性酸素を発生させ、該誘起流は該活性酸素を含む誘起流となり、
該プラズマアクチュエータ及び該加湿装置は、該活性酸素を含む該誘起流が、該開口部から該筐体の外に流出するように配置されており、
該処理方法は、さらに該用意した該活性酸素による処理装置と、該被処理物とを、該開口部から該活性酸素を含む該誘起流を流出させたときに該被処理物の表面が曝される相対的な位置に置く工程と、
該開口部から該誘起流を流出させて、該被処理物の表面を活性酸素で処理する工程と、を有する、活性酸素による処理方法が提供される。
本開示の一態様によれば、被処理物の表面に活性酸素をより効率的に供給し得る活性酸素供給装置、被処理物の表面を活性酸素でより効率的に処理し得る活性酸素による処理装置及び被処理物の表面を活性酸素でより効率的に処理し得る活性酸素による処理方法を得ることができる。
本開示の一態様に係る活性酸素供給装置の構成を示す概略断面図 本開示の一態様に係るプラズマアクチュエータの構成を示す概略断面図 本開示の一態様に係るプラズマアクチュエータの説明図 第1の電極と第2の電極との関係を示す概略図 ドーナツ型電極の概略図
以下、図面を参照して、この開示を実施するための形態を、具体的に例示する。ただし、この形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状それらの相対配置などは、開示が適用される部材の構成や各種条件により適宜変更されるべきものである。すなわち、この開示の範囲を以下の形態に限定する趣旨のものではない。
また、本開示において、数値範囲を表す「XX以上YY以下」や「XX~YY」の記載は、特に断りのない限り、端点である下限及び上限を含む数値範囲を意味する。数値範囲が段階的に記載されている場合、各数値範囲の上限及び下限は任意に組み合わせることができる。
また、本開示に係る「除菌」の対象物としての「菌」とは微生物を指し、該微生物には、真菌、細菌、単細胞藻類、ウイルス、原生動物等に加え、動物又は植物の細胞(幹細胞、脱分化細胞、分化細胞を含む。)、組織培養物、遺伝子工学によって得られた融合細胞(ハイブリドーマを含む。)、脱分化細胞、形質転換体(微生物)が含まれる。ウイルスの例としては、例えば、ノロウイルス、ロタウイルス、インフルエンザウイルス、アデノウイルス、コロナウイルス、麻疹ウイルス、風疹ウイルス、肝炎ウイルス、ヘルペスウイルス、HIVウイルスなどが挙げられる。また、細菌の例としては、例えば、ブドウ球菌、大腸菌、サルモネラ菌、緑膿菌、コレラ菌、赤痢菌、炭そ菌、結核菌、ボツリヌス菌、破傷風菌、連鎖球菌などが挙げられる。さらに、真菌の例としては、白癬菌、アスペルギルス、カンジダ等が挙げられる。よって、本開示において「除菌」は、ウイルスの不活化も包含するものである。
更に、本開示における活性酸素とは、例えば、オゾン(O)の分解によって生じるスーパーオキシド(・O )、ヒドロキシラジカル(・OH)の如きフリーラジカルを含む。
さらに、以下の説明では、同一の機能を有する構成には図面中に同一の番号を付し、その説明を省略する場合がある。
さらにまた、本明細書において、本開示の活性酸素供給装置および本開示の活性酸素による処理装置を総称して、単に「活性酸素供給装置」ともいう。
本発明者らの検討によれば、特許文献1に係る殺菌装置の除菌能力が限定的である理由を以下のように推測している。
特許文献1は、ケーシング内を加湿する手段によって予め当該ケーシング内を加湿し、被処理物を湿潤状態とした後、湿潤状態の被処理物とオゾンとを接触させることで、オゾンを励起し、極めて酸化力の高い活性酸素を生成している。ここで、活性酸素とは、スーパーオキシドアニオンラジカル(・О )、ヒドロキシルラジカル(・ОH)等の反応性の高い酸素活性種の総称で、それ自身がもつ高い反応性により、細菌やウイルスを即座に酸化分解できる。
しかしながら、特許文献1に係る殺菌装置においては、加湿手段とオゾン供給手段を同時に稼働させた場合、活性酸素の発生はオゾン供給手段の近傍に限定されると考えられる。すなわち、オゾン供給手段から離れた位置に存在するオゾンにまでは水分が十分到達せず、オゾン供給手段から離れたところでは活性酸素は発生し難いと考えられる。
また、活性酸素は非常に不安定であり、例えば、・О の半減期は10-6秒、・ОHの半減期は10-9秒と極めて短く、速やかに安定な酸素、水に変換されると考えられている。そのため、オゾン供給手段の近傍で生成した活性酸素を、除菌対象などの被処理
物に届けることは困難であると考えられる。言い換えれば、特許文献1で図示されるような位置関係において、加湿手段とオゾン供給手段を同時に稼働させた場合、オゾン供給手段から例えば1cm以上離れた位置に除菌対象が存在すると、当該除菌対象の除菌は、実質的にはオゾンによって行われていると考えられる。
そのため、特許文献1に係る殺菌方法による除菌性能が、従来のオゾンのみを用いた除菌方法による除菌性能と同等程度となっているものと考えられる。
このような考察から、本発明者らは、活性酸素を用いて被処理物を処理するうえでは、被処理物や被処理表面をより能動的に活性酸素雰囲気下に置くことが必要であることを認識した。そして、かかる認識の下で本発明者らが検討した結果、以下で説明する活性酸素供給装置によれば、被処理物をより能動的に活性酸素雰囲気下に置くことができることを見出した。なお、本開示において、活性酸素による被処理物の「処理」には、活性酸素による被処理物の被処理面の表面改質(親水化処理)、除菌、消臭、漂白の如き、活性酸素によって達成し得るあらゆる処理を含むものとする。
以下、図1A及び図1Bを用いて本開示の一態様に係る活性酸素供給装置(活性酸素による処理装置)101について説明する。本開示の一態様に係る活性酸素供給装置101は、加湿装置(不図示)と、少なくとも一つの開口部106を有する筐体107と、該筐体の内部にプラズマ発生装置(プラズマアクチュエータ)103とを具備する。
加湿装置は、筐体の内部を加湿可能に配置されており、誘起流105中に活性酸素を発生させる。例えば、図1A中では、加湿装置に接続された、加湿装置からの水分を放出する放出部108の先端が、筐体の内部に配置されているため、加湿装置によって筐体の内部を加湿することができる。図1A中、符号104は被処理物である。
プラズマアクチュエータ103の一態様の断面構造を図2Aに示す。プラズマアクチュエータは、誘電体201の一方の表面(以降、「第1の表面」ともいう)に、端面が露出してなる露出電極である第1の電極203、第1の表面とは反対側の表面(以降、「第2の表面」ともいう)に第2の電極205が設けられた、いわゆる誘電体バリア放電(Dielectric Barrier Discharge:DBD)プラズマアクチュエータ(以降、単に「DBD-PA」と記載する場合がある)である。図2A中、符号206は、第2の電極の端面からの誘起流を生じさせないように、第2の電極205をプラズマアクチュエータの厚み方向内に埋没させるための誘電体基板である。また、第1の電極及び第2の電極とには、電源207によって電圧が印加可能となっている。
プラズマアクチュエータ103において、誘電体201を挟んで配置された第1の電極203と第2の電極205とは、斜向かいにずれて配置されている。これらの電極間(両電極間)に電源207から電圧を印加することで、第1の電極203から第2の電極205に向かう誘電体バリア放電が発生する。そして、第1の電極203の縁部204から、該第2の電極が延びる方向(図2A中の矢印X方向)に向かって、誘電体201の第1の表面の露出部(第1の電極で被覆されていない部分)201-1に沿ってプラズマ202による噴流状の流れが誘起される。また同時に、容器内の空間から電極に向かう、空気の吸い込み流れも発生する。該表面プラズマ202中の電子は、空気中の酸素分子に衝突し、該酸素分子を解離させ、酸素原子を生じさせる。生じた酸素原子は未解離の酸素分子と衝突して、オゾンが発生する。したがって、表面プラズマ202による噴流状の流れと空気の吸い込み流れとの作用により、第1の電極203の縁部204から誘電体201の表面に沿って、高濃度のオゾンを含む誘起流105が発生する。
そして、プラズマアクチュエータ103及び加湿装置は、活性酸素を含む誘起流105が、開口部106から筐体107の外に流出し、被処理物104の処理表面104-1に供給されるように配置されている。
すなわち、プラズマアクチュエータは、第1の電極203、誘電体201及び第2の電極205がこの順に積層されてなり、第1の電極203は、誘電体201の一方の表面である第1の表面上に設けられた露出電極である。そして、プラズマアクチュエータは、第1の電極203と第2の電極205との間に電圧を印加することで、第1の電極203から第2の電極205に向かう誘電体バリア放電を生じ、第1の電極203から誘電体201の表面に沿った一方向である第1方向に誘起流を吹き出す。
より具体的には、第1の電極203の片側の縁部204から第2の電極205に向かう誘電体バリア放電を生じ、第1の電極203の片側の縁部204から誘電体201の第1の表面に沿った第1方向(図2A中の矢印105の方向)に一方向噴流である誘起流を吹き出す。
また、プラズマアクチュエータの厚み方向の一断面において第2の電極205は、誘起流の吹き出し方向(第1方向)に伸びて存在している。
より具体的には、例えば、プラズマアクチュエータは、誘電体201を有し、プラズマアクチュエータの厚さ方向の断面をみたときに、プラズマアクチュエータの厚さ方向に第1の電極203と第2の電極205とが誘電体201を介して斜向かいに配置されている。そして、誘電体201の第1の表面の一部を被覆するように第1の電極203が設けられ、誘電体の第1の表面は、第1の電極203で覆われていない露出部201-1を有している。
図2Bは、プラズマアクチュエータを誘電体の第1の表面側から透視したときの図である。露出部201-1の少なくとも一部と、破線で示されている第2の電極205とが重なりを有している。したがって、重なりは、図2Bにおいて電極205を示す破線の上辺、下辺及び右辺と縁部204とで形成される領域となる。
そして、第1の電極及び第2の電極間に電圧を印加することで、厚さ方向の該断面(図2A)における第1の電極203の第1方向側の縁部204から、第2の電極205と重なっている誘電体の露出部に沿ってオゾンを含む誘起流が発生する。
なお、本開示において、図2A及び図2Bに示すように、誘起流の吹き出し方向である誘電体の表面に沿った第1方向をX方向ということもある。また、X方向を含む軸をX軸という。例えば、X方向及びX方向の逆方向を含めてX軸方向となる。そして、X軸に垂直で、誘電体の第1の表面に垂直な方向の軸をY軸とする。Y軸において、誘電体から見て第1の電極方向(例えば誘電体を水平にしたときに略鉛直上向き方向)をY方向という。また、X方向に垂直で、誘電体の第1の表面に沿った方向、すなわちX軸とY軸に垂直な軸をZ軸という。
誘起流は、例えば露出部201-1に沿った壁面噴流となり、高濃度のオゾンを特定の位置に供給しやすい。露出部201-1の誘起流方向の長さ(すなわち、第1の電極の第1方向側の縁部204から誘電体の第1の表面の縁部までの長さ)は、特に制限されないが、好ましくは0.1~50mmであり、より好ましくは0.5~20mmであり、さらに好ましくは1.0~10mmである。
したがって、本開示の一態様に係る活性酸素供給装置においては、プラズマアクチュエータ103からのオゾンを含む誘起流105が、開口部106から筐体107の外に流出し、被処理物104の処理表面104-1に供給される。同時に、加湿装置が誘起流105を加湿して誘起流105中に活性酸素を発生させ、誘起流は活性酸素を含む誘起流となる。これにより、処理表面104-1近傍の領域、具体的には例えば処理表面から高さ1mm程度までの空間領域(以降、「表面領域」ともいう)に活性酸素を能動的に供給することができる。そのため、生成した活性酸素が酸素及び水に変換される前に、該活性酸素を被処理物の表面に供給することができる。その結果として、被処理物104の処理表面104-1は、活性酸素によってより確実に処理される。
また、誘起流105中には高濃度にオゾンが含まれているため、加湿装置から表面領域までの空間のオゾン濃度を高める必要がなく、加湿装置からの水分が表面領域に到達するまでに減衰することを防止できる。その結果、表面領域に存在するオゾンが水分によって効率的に活性酸素に分解される。さらに、その結果として、被処理物の処理表面104-1上、または、処理表面104-1に極めて近接した位置で活性酸素が生成する。その結果、被処理物104の処理表面104-1は、処理表面においてその場的(in situ)に発生した活性酸素雰囲気下に置かれることとなり、該処理表面が活性酸素によってより確実に除菌される。
また、プラズマアクチュエータ103によって誘起流105が発生しているため、送風ファンなどの気流発生装置が必要ない。結果、ファンなどによる気流によってオゾン生成が阻害されることや、生成したオゾンが拡散されてしまうことがないため、効率よく活性酸素を処理表面104-1に供給させることができる。すなわち、活性酸素供給装置は、好ましくは誘起流105を処理表面104-1に供給させる気流を発生させる送風ファンなどの気流発生装置を備えない。プラズマアクチュエータ103から発生した誘起流105そのものが、被処理物104の処理表面104-1に供給されることが好ましい。処理表面104-1に供給される誘起流105は、例えば、噴流状の流れである。
<電極及び誘電体>
第1の電極及び第2の電極を構成する材料としては、良導電性の材料であれば、特に限定されることない。例えば、銅、アルミニウム、ステンレス鋼、金、銀、プラチナなどの金属、および、それらにメッキや蒸着をしたもの、カーボンブラック、グラファイト、カーボンナノチューブなどの導電性炭素材料、および、それらを樹脂などと混合した複合材料などを用いることができる。第1の電極を構成する材料と第2の電極を構成する材料とは、同一であってもよく、異なっていてもよい。
これらのなかでも、電極の腐食を避けて放電の均一化を図る観点から、第1の電極を構成する材料はアルミニウム、ステンレス鋼又は銀であることが好ましい。同様の理由で、第2の電極を構成する材料もアルミニウム、ステンレス鋼又は銀であることが好ましい。
また、第1の電極及び第2の電極の形状は、平板状、ワイヤ状、針状などを特に制限なく採用することができる。好ましくは、第1の電極の形状は平板状である。また、好ましくは、第2の電極の形状は平板状である。第1の電極及び第2の電極の少なくとも一の電極が平板状である場合、該平板のアスペクト比(長辺の長さ/短辺の長さ)が2以上であることが好ましい。
第1の電極及び第2の電極の少なくとも一の電極は、頂角が45°以下である(すなわち、電極が尖っている)ことも好ましい態様であるが、これに限定されない。なお、図面2Aにおいては、第1の電極及び第2の電極の頂角はいずれも90°である場合を示しているが、頂角が45°を超える態様も本開示に含まれる。
誘電体は、高い電気絶縁性を有する材料であれば、特に限定されることない。例えば、ポリイミド、ポリエステル、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂などの樹脂、ガラス、セラミックス、および、それらを樹脂などと混合した複合材料などを用いることができる。これらのなかでも、強度と絶縁性の観点から、誘電体がセラミックス、ガラス、シリコーン樹脂が好適に用いられる。特に、シリコーン樹脂は柔軟であるため、プラズマアクチュエータの形状の自由度を高めることができる
<プラズマアクチュエータ>
プラズマアクチュエータは、誘電体を挟んで第1の電極と第2の電極を設け、両電極間に電圧を印加することによりオゾンを含む一方向の噴流である誘起流を生じさせうるものであれば、特に限定されない。
プラズマアクチュエータにおいて、第1の電極と第2の電極の最短距離が短いほどプラズマが発生しやすい。そのため誘電体の膜厚は電気絶縁破壊しない範囲であれば薄膜であるほど好ましく、10μm~1000μm、好ましくは10μm~200μmとすることができる。また、第1の電極と第2の電極の最短距離は、200μm以下であることが好ましい。
図3、図4A及び図4Bは、オゾン発生装置であるプラズマアクチュエータの第1の電極203と第2の電極205のオーバーラップについての説明図である。プラズマアクチュエータの断面図である。
斜向かいに配置した第1の電極203及び第2の電極205は、プラズマアクチュエータを第1の電極(第1の表面)側から透視したときに、第1の電極の縁部が、誘電体を挟んで第2の電極の形成部分に存在していてもよい。例えば、第1の電極と第2の電極とが誘電体を挟んでY軸方向でオーバーラップするように設けられていてもよい。この場合、第1の電極と第2の電極とが誘電体を挟んで重なっている部分において電圧印加時に絶縁破壊しないようにすることが好ましい。
図4Aに第1の電極と第2の電極とが誘電体を挟んで(Y軸方向で)オーバーラップする態様を示す。プラズマアクチュエータの厚さ方向の断面において、第1の電極の第1方向側の縁部を縁部Aとし、第2の電極における第1方向と逆方向である第2方向側(X方向の反対側)の縁部を縁部Bとする。このとき、好ましくは、縁部Bが縁部Aよりも第2方向側(X方向の反対側)に位置している。
また、プラズマアクチュエータを第1の電極側から透視したときに、第1の電極の第1方向側の縁部を縁部Aとし、第2の電極における第1方向と逆方向である第2方向側(X方向の反対側)の縁部を縁部Bとしたとき、好ましくは、縁部Bが縁部Aよりも第2方向側(X方向の反対側)に位置している。
このように第1の電極と第2の電極とが誘電体を挟んでオーバーラップしていることで、安定したプラズマ及び誘起流の発生が可能となる。
また、第1の電極と第2の電極とが誘電体201を介して斜向かいに配置されているため、縁部Bは、第1の電極における縁部Aと反対側の縁部よりも、第1方向(X方向)に位置している。これにより、第1の電極における縁部Aと反対側の縁部からの誘起流の発生を抑えることができる。
図4Bに第1の電極と第2の電極とが誘電体を挟んで(Y軸方向で)オーバーラップしない態様を示す。プラズマアクチュエータの厚さ方向の断面において、第1の電極の第1方向側の縁部を縁部Aとし、第2の電極における第1方向と逆方向である第2方向側(X方向の反対側)の縁部を縁部Bとしたとき、好ましくは、縁部Bが縁部Aよりも第1方向側(X方向側)に位置している。
また、プラズマアクチュエータを第1の電極側から透視したときに、第1の電極の第1方向側の縁部を縁部Aとし、第2の電極における第1方向と逆方向である第2方向側(X方向の反対側)の縁部を縁部Bとしたとき、好ましくは、縁部Bが縁部Aよりも第1方向側(X方向側)に位置している。
このように、第1の電極と第2の電極とが誘電体を挟んでオーバーラップしていない場合には、電極間の最短距離が相対的に大きくなることによる電界の弱まりを補うために両電極間に印加する電圧を相対的に高めることが好ましい。
また、プラズマアクチュエータを第1の電極側から透視したときに、第1の電極の第1方向側の縁部を縁部Aとし、第2の電極における第1方向と逆方向である第2方向側(X方向の反対側)の縁部を縁部Bとしたとき、縁部Aと縁部Bとが、誘電体の厚さ方向(Y軸方向)において一致していることも好ましい態様の一つである。さらに、プラズマアク
チュエータの厚さ方向の断面において、縁部Aと縁部Bとが誘電体の厚さ方向(Y軸方向)において一致していることも好ましい態様の一つである。当該形態は、例えば、縁部Aと縁部Bとが誘電体を挟んで最短距離で対向している態様を示し、第1の電極と第2の電極とが誘電体を挟んでオーバーラップもせず、離れてもいない。これにより、両電極間に印加したエネルギーをより効率よく誘起流の生成に用いることができる。
第1の電極の縁部Aと第2の電極の縁部Bとの重なりは、オーバーラップする長さを正とすると、断面図の上部から見て、X軸方向に-100μm~+1000μmとすることが好ましく、0μm~+200μmとすることがより好ましく、0μmとすることがさらに好ましい(図3)。すなわち、縁部Bが縁部Aよりも誘起流の吹き出し方向の反対側に位置する場合を正とすると、縁部Aと縁部Bとの誘電体の表面に沿った方向(X軸方向)の間隔は、-100μm~+1000μmとすることが好ましく、0μm~+200μmとすることがより好ましく、0μmとすることがさらに好ましい。ただし、プラズマアクチュエータ製作上の加工精度の観点で、Z軸方向に渡って重なりを常に0μmに加工することが難しい。よって、加工誤差に応じた正の重なりを設けることが通例である。
電極の厚みとしては、第1の電極及び第2の電極ともに特に限定は無いが、10μm~1000μmとすることができる。10μm以上であると、抵抗が低くなりプラズマの発生がしやすくなる。1000μm以下であると、電界集中が起こりやすくなるためプラズマが発生しやすくなる。
電極の幅としては、第1の電極及び第2の電極ともに特に限定されないが、1000μm以上とすることができる。
電極の形状は特に制限されないが、例えば、長方形や正方形などの矩形であることが好ましい。矩形であることで、均一な誘起流を発生させることができる。
また、図5A(誘電体の第1の表面側からの透視図)及び図5B(プラズマアクチュエータの厚さ方向の断面図)に示すように、第1の電極がドーナツ型であり、第2の電極が円形又はドーナツ型であってもよい。このような電極の形態であっても、厚さ方向の断面をみたときに、プラズマアクチュエータの厚さ方向に第1の電極203と第2の電極205とが誘電体201を介して斜向かいに配置されている。そして、誘電体201の第1の表面の一部を被覆するように第1の電極203が設けられ、第1の表面は、第1の電極203で覆われていない露出部201-1を有している。さらに、プラズマアクチュエータを第1の表面側から透視したとき(図5A)、誘電体の露出部201-1の少なくとも一部と、第2の電極205とが重なりを有している(第1の電極のドーナツ形状の穴部分)。
このような、ドーナツ型電極DBD-PAである場合でも、第1の電極と該第2の電極との間に電圧を印加することで、第1の電極から第2の電極に向かう誘電体バリア放電が生じ、第1の電極から誘電体の表面に沿った一方向に誘起流が吹き出す。噴き出した誘起流は、電極の中心近傍で衝突し、図5Bにおいて上方に噴出する3次元Wall normal jetとなる。
また、このようなドーナツ型電極DBD-PAを用いた活性酸素供給装置の例を図5Cに示す。図5Cに示す活性酸素供給装置においては、ドーナツ形状を有する第1電極の内周側の縁部から、誘電体201の表面に沿った一方向である第1方向、すなわち、中心方向に向かってオゾンを含む誘起流105が噴出する。そして、誘起流105は、第1電極の中心部で衝突することによって、誘電体201の表面201-1に対して垂直方向(図6Cにおいて鉛直下方)に向かって、オゾンを含む軸対称噴流901が発生する。そしてこの軸対称噴流901を、加湿装置108で加湿することで軸対称噴流中のオゾンが活性
酸素に分解され、活性酸素を含む軸対称噴流が開口106から筐体107の外に流出する。そして、開口106の近傍に配置した被処理物は、開口から流出した軸対称噴流901中の活性酸素によって処理される。
また、プラズマアクチュエータは、第1の電極からの誘起流の吹き出し方向下流で、かつ誘電体201の第1の表面に、さらに第3の電極を設けた、いわゆる三電極プラズマアクチュエータであってもよい。この場合、例えば、第1の電極をAC電極として交流電圧を印加し、第3の電極をDC電極として直流電圧を印加することができる。DC電極に負の直流電圧を印加することでスライディング放電を発生させることもできる。
また、第2の電極の縁部が露出している場合、第2の電極の縁部からもプラズマが発生し、第1の電極由来の誘起流105とは反対側の向きの誘起流が生じ得る。本態様に係る活性酸素供給装置においては、被処理物の表面領域以外の活性酸素供給装置の内部空間のオゾン濃度はできる限り低くしておくことが好ましい。また、誘起流105の流れを乱すような気体の流動を容器内に発生させないことが好ましい。そのため、第2の電極由来の誘起流を発生させないことが好ましい。
そこで、第2の電極205からプラズマが発生しないように、第2の電極205は、埋め込み電極であることが好ましい。例えば、図2及び図3に示すように第2の電極は誘電体基板206の如き誘電体で被覆されていてもよいし、誘電体201に埋め込まれていてもよい。第2の電極は、第2の電極の縁部からのプラズマの発生を防止できる程度に埋め込まれていればよく、例えば第2の電極の面の一部が露出し、第2の電極の露出面と誘電体基板206又は誘電体201とが同一の平面を形成していてもよい。第2の電極の縁部が誘電体基板206又は誘電体201で覆われていることが好ましい。
したがって、例えばプラズマアクチュエータは、好ましくはSDBD(single dielectric barrier discharge)プラズマアクチュエータである。
プラズマアクチュエータは、上述のように定義される第1の電極における縁部A以外の縁部から誘起流が発生しないことが好ましい。そのために、縁部A以外の縁部を誘電体で被覆してもよい。これにより、第1の電極と第2の電極がY軸方向で重なっていても、一方向の噴流を発生させることができる。また、電極の形状を制御し、第2の電極との関係で縁部A以外の縁部から誘起流を発生させなくしてもよい。例えば電極が矩形の場合、Z軸方向(縁部Aからの誘起流の吹き出し方向に垂直な方向)の電極の長さが、第1の電極と第2の電極とで同じ又は第1の電極を長くしてもよい。このような態様により、誘起流を被処理物に能動的に供給しやすくなる。
高濃度オゾンを含む誘起流105は、第1の電極203の縁部204から誘電体201の第1の表面の露出部201-1に沿った表面プラズマによる噴流状の流れ方向、すなわち、第1の電極203の縁部204から誘電体の第1の表面の露出部201-1に沿う方向に流れる。この誘起流は、数m/s~数十m/s程度の速度を持った、高濃度オゾンを含む気体の流れである。
プラズマアクチュエータの第1の電極203と第2の電極205の間にかける電圧としては、プラズマアクチュエータにプラズマを生じさせることができる態様であれば特に制限されない。また、直流電圧でも、交流電圧でもよいが、交流電圧であることが好ましい。また、該電圧をパルス電圧とすることも好ましい態様である。
さらに、該電圧の振幅、周波数は、誘起流の流速、誘起流中のオゾン濃度を調整するために適宜設定することができる。この場合、処理の目的に応じた有効活性酸素濃度又は有効活性酸素量を生成させるために必要なオゾン濃度を誘起流中に発生させること、生成された活性酸素を、処理の目的に応じた有効活性酸素濃度又は有効活性酸素量を維持した状
態で被処理物の表面領域に供給すること、などの観点から適宜選択するとよい。
例えば、該電圧の振幅は1kV~100kVとすることができる。さらにまた、該電圧の周波数は好ましくは1kHz以上、より好ましくは10kHz~100kHzとすることができる。
該電圧を交流電圧とする場合、該交流電圧の波形は特に制限されず、サイン波、矩形波、三角波などを採用できるが、電圧の立ち上がりの早さの観点からは矩形波であることが好ましい。
該電圧のデューティー比も適宜選択可能であるが、電圧の立ち上がりが早いことが好ましい。好ましくは、波長の振幅の底から頂点に達する電圧の立ち上がりが、10,000,000V/秒以上となるように電圧を印加する。
なお、第1の電極203と第2の電極205の間に印加する電圧の振幅を、誘電体201の膜厚で除した値(電圧/膜厚)は、10kV/mm以上とすることが好ましい。
<加湿装置>
加湿装置としては、筐体の内部を加湿し誘起流に水を含有させて、誘起流中のオゾンを水で分解することにより誘起流中に活性酸素を発生させられるものであれば特に限定されない。ここで、加湿とは対象に水分を与えることであり、その水分の態様は特に限定されず、気体、液体及び固体からなる群から選択される少なくとも一であってよい。また、水分を与える際に用いる水としては、公知の水を任意に用いることができ、水以外の物質を含んでいてもよい。
加湿装置として挙げられる一態様は、加湿空気発生部、送風部、流量調整弁、流量計測部、温度・湿度計測部、加湿空気を放出する放出部、各構成部を繋ぐ配管から構成される態様である。このような態様とすることで、筐体の内部を加湿し、オゾンを含む誘起流に水を含有させることができる。
加湿装置としては、上記の態様に特に限定されるものではなく、例えば、気化式の加湿装置や、ミスト式の加湿装置が挙げられる。
プラズマアクチュエータの近傍の湿度を高めないために、加湿装置は、水分を供給する方向に関して指向性(以下、単に指向性ともいう。)を有するものが好ましい。加湿装置が指向性を有することによって、プラズマアクチュエータの近傍の湿度を高めず、誘起流の近傍や被処理物の表面近傍を効率的に加湿することができる。
加湿装置に指向性を有させるためには、公知の方法を好適に用いることができる。例えば、ファンを設けることによって気流を発生させ、水分を気流の方向に移送する方法や、エアーポンプなどによって水分に適度な圧力を与え、水分を目的の方向に射出する方法などが挙げられる。誘起流の流れを乱さないように、誘起流の向きと同じ方向(第1方向)に指向させることが好ましい。
加湿装置による加湿の度合いは、筐体の内部を加湿し誘起流に水を含有させて、誘起流中のオゾンを水で分解することにより誘起流中に活性酸素を発生させられるものであれば特に限定されない。開口部における相対湿度は、好ましくは60%RH以上であり、より好ましくは80%RH以上であり、さらに好ましくは90%RH以上である。また、通常100%RH以下であり、95%RH以下であってよい。
<プラズマアクチュエータ、加湿装置及び被処理物の配置>
活性酸素供給装置101においては、オゾンを含む誘起流を生じさせるプラズマアクチュエータ103の位置は、加湿装置からの水分によって該誘起流105が、処理の目的に応じた有効活性酸素濃度又は有効活性酸素量が維持された状態で、開口部から筐体の外に流出し、被処理物の表面に供給されるように配置されていれば特に限定されない。
例えば、水分によって発生した活性酸素を含む誘起流105が、最短距離で、被処理物の表面に供給されるようにプラズマアクチュエータと加湿装置とを配置するとよい。
また、例えば、プラズマアクチュエータの第1の電極203の第1方向側の縁部204から誘電体の第1の表面のうちの露出部201-1に沿った方向の延長線上に被処理物の処理表面104-1が含まれるように配置するとよい。例えば、該延長線が、処理表面104-1に接することが好ましい。
また、プラズマアクチュエータの第1の電極203の第1方向側の縁部から誘電体の第1の表面に沿った方向(X方向と同じ)の延長線が、開口部に向けられていることが好ましい。これにより、誘起流を開口部から筐体の外に流出させやすい。
さらに、活性酸素供給装置の開口部を鉛直下方に向けた場合において、プラズマアクチュエータの第1の電極の縁部から誘電体の第1の表面の露出部201-1に沿う方向の延長線と水平面(鉛直方向と直角な平面)とのなす狭角をθとする。狭角θは、処理の目的に応じた有効活性酸素又は有効活性酸素量を維持した状態で、被処理物の表面領域まで誘起流を能動的に供給し得る角度、又は、活性酸素により処理し得る角度であれば特に制限されないが、0°~90°であることが好ましい。
プラズマアクチュエータと加湿装置とを、上記のように配置することで、ある程度の流速を有する、活性酸素を含む誘起流を、被処理物の表面近傍の領域に局所的に供給すること又は活性酸素により処理することができる。また、開口から流出した誘起流が被処理物の表面に沿って流れ、被処理物の被処理面のうちの、開口部の対向部分以外の部分についても活性酸素を含む誘起流に曝される。このことにより、被処理面104-1のより広い範囲を活性酸素によって処理することができる。
また、プラズマアクチュエータは、第1方向(誘起流の吹き出し方向)の延長線上に被処理物の処理表面104-1が含まれるように配置するとよい。活性酸素供給装置の開口部を鉛直下方に向けた場合において、第1方向(誘起流の吹き出し方向)と水平面(鉛直方向と直角な平面)とのなす狭角をθ´とする。角度θ´は、0°~90°であることが好ましい。
加湿装置は、筐体の内部を加湿することで誘起流を加湿し、該誘起流中に活性酸素を発生させ、処理の目的に応じた有効活性酸素濃度又は有効活性酸素量が維持された状態で被処理物の表面での処理が可能なように配置されていれば、それ以外は特段限定されない。例えば、加湿装置全体が筐体の内部に配置されていてもよいし、加湿装置を構成する一部分のみが筐体に接続され、その接続箇所から加湿が行われてもよい。接続箇所としては、例えば加湿装置を構成する一部分のうち、加湿空気を放出する放出部が筐体に接続されている態様が挙げられる。
以下、加湿装置の配置に関する記載は、上記接続箇所に関する記載でもある。
上述のように、オゾンを含む誘起流が、被処理物の表面近傍の領域に能動的に供給されている。また、誘起流を加湿することで誘起流中に活性酸素を発生させることができる。そのため、該誘起流が加湿されることで、オゾンが励起され、活性酸素が発生した状態の誘起流を、被処理物の表面に能動的に供給することができ、また、被処理物の表面の活性酸素濃度又は活性酸素量を有意に高めることができる。
加湿装置とプラズマアクチュエータとの相対位置は、誘起流中に活性酸素を発生させ、処理の目的に応じた有効活性酸素濃度又は有効活性酸素量が維持された状態で被処理物の表面での処理が可能なように各々が配置されていれば、それ以外は特段限定されない。
また、加湿装置とプラズマアクチュエータとの距離は、誘起流を加湿し、該誘起流中に活性酸素を発生させ、処理の目的に応じた有効量の活性酸素を含む誘起流が開口部から筐
体の外に流出し、被処理物に供給されるように、その強度、プラズマアクチュエータに対する位置を設定すればよい。プラズマアクチュエータに対する加湿装置の配置位置の一例としては、例えば、プラズマアクチュエータの誘電体の、加湿装置に対向する面との距離が、例えば、10mm以下とすることが好ましく、4mm以下とすることがより好ましい。ただし、加湿装置から10mm程度以内の所にプラズマアクチュエータを置く必要はなく、加湿装置から供給される水分などとの関係で誘起流中の活性酸素を処理の目的に応じた有効濃度とすることができれば、加湿装置とプラズマアクチュエータとの距離は特に制限されない。
また、加湿装置及びプラズマアクチュエータの少なくとも一方に移動手段を設け、均一に加湿できるように加湿装置及びプラズマアクチュエータの少なくとも一方を移動自在とすることも好ましい態様である。
活性酸素供給装置と被処理物との相対的な位置は、誘起流中に活性酸素を発生させ、処理の目的に応じた有効活性酸素濃度又は有効活性酸素量が維持された誘起流に被処理物の表面が曝されるように各々の少なくとも一方が配置されていればよい。
また、加湿装置は、被処理物の表面を加湿可能な位置に配置されていても、被処理物の表面を加湿可能でない位置に配置されていてもよい。被処理物の表面を加湿可能でない場合であっても、本態様に係る活性酸素による処理装置であれば、誘起流中の活性酸素に被処理面が曝されることにより処理することが可能である。さらに、本開示に係る活性酸素供給装置による除菌処理においては、活性酸素が到達し得る位置に存在する菌は除菌することができる。従って、例えば、繊維間に存在する菌であっても除菌し得る。
一方、加湿装置が、開口部を介して筐体の外に置かれた被処理物の表面を加湿可能に配置されている場合、誘起流中に存在している未分解のオゾンを、被処理面においてその場的(in situ)に分解し、被処理面上において活性酸素を発生させ得る。その結果、処理の程度や処理の効率をより一層高めることができる。
さらに、加湿装置と被処理物の表面との距離は、処理の目的によって調整すればよく。特に限定されるものではないが、誘起流中に含まれる活性酸素の寿命を踏まえると、10mm以下とすることが好ましく、4mm以下とすることがより好ましい。ただし、加湿装置から10mm程度以内の所に被処理物の処理表面があるように被処理物を置く必要はなく、加湿の方法などとの関係で誘起流中の活性酸素を処理の目的に応じた有効濃度とすることができれば、加湿装置と被処理物との距離は特に制限されない。
加えて、加湿装置、プラズマアクチュエータ及び開口部との相対的な位置は、誘起流中に活性酸素を発生させ、処理の目的に応じた有効活性酸素濃度又は有効活性酸素量が維持された誘起流に被処理物の表面が曝されるように配置されていればよい。
表面プラズマ202の近傍に水分が多いとオゾンの生成量が減少すること、および、誘起流中に含まれる活性酸素の寿命を踏まえると、加湿装置はプラズマアクチュエータの起こす誘起流の下流側に設置するのが好ましい。つまり、筐体の内部の長手方向に向かって、プラズマアクチュエータ、加湿装置、開口部の順になるように配置されていることが好ましい。
また、プラズマアクチュエータにおける、誘起流を加湿しない状態での単位時間あたりのオゾン発生量としては、例えば、8μg/分以上であることが好ましい。より好ましくは15μg/分以上である。該オゾン発生量の上限は特に制限されないが、例えば1000μg/分以下である。すなわち、好ましい範囲としては、8μg/分以上、1000μg/分以下である。
誘起流の流速としては、例えば、生成された活性酸素を処理の目的に応じた有効活性酸素濃度又は有効活性酸素量を維持した状態で被処理物の表面領域まで能動的に供給し得る
速度であればよい。例えば、上記の通り0.01m/s~100m/s程度である。
上述のようにプラズマアクチュエータから生じる誘起流中のオゾンの濃度や誘起流の流速は、電極や誘電体の厚みや材質、印加する電圧の種類、振幅、周波数などにより制御することができる。
プラズマ発生装置103の近傍の湿度を高めず、効率よくオゾンを生成させる観点から、プラズマ発生装置103と加湿装置との間に、プラズマ発生装置への水分を遮断する遮断部材を設けてもよい。遮断部材の加湿装置側には、水分を透過しない部材を設けてもよい。水分を透過しない部材としては公知の材料を好適に用いることができ、例えば、アルミニウム、銅、ステンレス鋼などの金属を含む金属テープ、金属フィルム、金属板や、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリビニルアルコール、エチレンビニルアルコールコポリマーなどの樹脂などが挙げられる。遮蔽部材を設ける場合、誘起流を阻害しない位置に設けることが好ましい。具体的には、プラズマアクチュエータの第1の電極203の縁部から誘電体201の表面に沿った方向の延長線上に遮蔽部材が含まれないことが好ましい。
また、プラズマ発生装置103の近傍の湿度を下げるために、プラズマ発生装置に除湿機構や除湿剤を設けてもよい。
<筐体および開口部>
本開示の活性酸素供給装置は、少なくとも一つの開口部106を有する筐体107と、筐体の内部に配置された加湿装置と、プラズマアクチュエータ103とを具備する。
該開口部は、プラズマアクチュエータ103から生じる誘起流105が筐体107外に流出されるような態様であれば特に制限されない。開口部の大きさ、開口部の位置、開口部と被処理物との相対位置は、例えば、生成された活性酸素を、処理の目的に応じた有効活性酸素濃度又は有効活性酸素量を維持した状態で被処理物の表面領域まで能動的に供給し得るように適宜選択することができる。
さらに、プラズマアクチュエータと開口部との距離は、誘起流中の活性酸素をより有効に目的とする処理に使うためには、プラズマアクチュエータと被処理物との距離が近いことが好ましい。そのため、プラズマアクチュエータは、開口部により近い位置に配置することが好ましい。一方、プラズマアクチュエータの保護のため、開口部からセットバックした位置に配置することも好ましい。一例としては、筐体の内壁の開口部の端部からプラズマアクチュエータの開口部に近い側の端部が0.5mm~1.5mmに位置するようにプラズマアクチュエータを筐体の内壁に配置することが好ましい。
筐体は、空気の流入口としての吸気部109を有していてもよい。吸気部109を有していることによって、プラズマアクチュエータ103によって誘起流が生成し、筐体の内部の気体が開口部に向けて動いた際に、吸気部109の外部から空気が流入し、筐体の内部に吸気部109から開口106に向かう、誘起流に起因する気流を生じさせることができる。
本開示の活性酸素供給装置は、被処理物の除菌用途だけでなく、被処理物に活性酸素を供給することで実施される用途全般に用いることができる。例えば、本開示の活性酸素供給装置は、被処理物の消臭用途、被処理物の漂白用途、被処理物の親水化表面処理などにも用いることができる。
また、本開示の活性酸素による処理装置は、被処理物を除菌する処理を行うだけでなく、例えば、被処理物を消臭する処理、被処理物を漂白する処理、被処理物を親水化する表面処理などにも用いることができる。
また、本開示は、被処理物の表面を活性酸素で処理する処理方法であって、
上記活性酸素による処理装置を用意する工程と、
該用意した該活性酸素による処理装置と、該被処理物とを、該開口部から活性酸素を含む該誘起流を流出させたときに該被処理物の表面が曝される相対的な位置に置く工程と、
該開口部から活性酸素を含む該誘起流を流出させて、該被処理物の表面を活性酸素で処理する工程と、を有する活性酸素による処理方法を提供する。
なお、本開示において「有効活性酸素濃度又は有効活性酸素量」とは、被処理物に対する目的、例えば、除菌、消臭、漂白または親水化などを達成するための活性酸素濃度又は活性酸素量をいい、プラズマアクチュエータを構成する電極、誘電体の厚み、材質、印加する電圧の種類、振幅及び周波数、加湿の水分量及び加湿時間などを用い、目的に応じて適宜調整ができる。
本開示に係る活性酸素供給装置は、例えば、被処理物の被処理面の面積が開口に対して広い場合には、活性酸素処理装置及び被処理物の少なくとも一方を移動させながら処理を行うことができる。その際の活性酸素供給装置と被処理物との相対的な移動速度や移動方向は、被処理面を所望の程度に処理ができる範囲で適宜設定すればよく、特に限定されるものではない。また、被処理物の処理回数も、同様に、被処理面を所望の程度に処理ができる範囲で適宜設定すればよい。
以下、実施例及び比較例を用いて本開示をさらに詳細に説明するが、本開示の態様はこれらに限定されない。
<実施例1>
1.加湿装置
本実施形態に係る加湿装置は、加湿空気発生部、送風部、流量調整弁、流量計測部、温度・湿度計測部、加湿空気を放出する放出部、各構成部を繋ぐ配管から構成されるものとした。加湿空気発生部では、水を張ったシャーレに超音波式噴霧器(REN HE社製)を稼働させ、加湿空気を発生させた。送風部には吸引ポンプ(リキポートNF-100KT.18S、ヤマト科学株式会社製)を使用した。流量計測部には流量計として、アンプ分離型気体用流量センサFD-V40シリーズ(キーエンス社製)を使用した。放出部には、配管として内径4mm(外径6mm)シリコーンチューブを使用した。送風部、加湿空気発生部、流量調整弁、流量計測部、温度湿度計測部、放出部の順に接続し、放出部における気体流速が、プラズマアクチュエータの誘起流の流速に比べ十分小さく、誘起流を乱すことのない0.0m/秒~0.5m/秒となる範囲において、ポンプの気体流量を制御することで、以下に開示する活性酸素供給装置の湿度を調整する手段として用いた。
2.活性酸素供給装置の作製
誘電体としてのガラス板(縦5mm、横(図1における紙面奥行方向)18mm、厚さ150μm)の第1の面に縦2.5mm、横15mm、厚さ100μmのアルミニウム箔を粘着テープで貼り付けて第1の電極を形成した。また、当該ガラス板の第2の面にも縦3mm、横15mm、厚さ100μmのアルミニウム箔を、第1の面に張り付けたアルミニウム箔と斜向かいとなるように粘着テープで貼り付けて第2の電極を形成した。さらに、第2の電極を含む第2の面をポリイミドテープで被覆した。こうして、第1の電極と第2の電極とが誘電体(ガラス板)を挟んで幅0.5mmに亘ってオーバーラップするように設けられてなるプラズマアクチュエータを作製した。
次に、活性酸素供給装置101の筐体107として、ABS樹脂製の内部に貫通孔を有する四角形状の筐体を用意した。断面形状を図1Aに示す。該筐体は、高さ(図1Aにおける上下方向)が30mm、幅(図1Aにおける左右方向)が11mm、長さ(図1Aにおいて紙面奥行き方向)が34mm、貫通孔の内壁と外壁との厚みが2mmであった。該
ケースは、一面に、幅7mm、長さ30mmの誘起流の吹き出し部としての開口部106を有しており、開口部106とは反対側に、幅7mm、長さ30mmの吸気部109を有していた。次いで、該筐体107の内壁の高さ30mmの中心である15mmに、先に作製した1個のプラズマアクチュエータの第1の電極203の縁部204が重なるように固定した。具体的には、図1Aに記載の通り、プラズマアクチュエータ103を、誘電体201の第1の表面の露出部201-1に沿う方向(X方向)が開口部側を向き、誘電体201の第1の表面の露出部201-1に沿う方向の延長線と被処理物104の処理表面との交点のなす角θと同値)が90°となるように固定した。
さらに、筐体の内部に、上記の加湿装置(不図示)の放出部108を図1A記載の位置に配置し、筐体と加湿装置との接続箇所とした。具体的には、Φ6mmの放出部108中心と、プラズマアクチュエータの第1の電極203の縁部204との距離(図1Aにおける符号108-1)を10mmとした。このとき、放出部108中心から開口部106までの距離は5mmであった。
続いて、プラズマアクチュエータ103から発生するオゾン量を算出するため、活性酸素供給装置101を、容積が1リットルの密閉容器(不図示)に入れた。該密閉容器にはゴム栓で封止可能な孔部が設けられており、該孔部から注射器で内部の気体を吸引できるようにした。そして、加湿装置は作動させず、プラズマアクチュエータ103に2.4kVpp、周波数80kHzのサイン波形を有する交流電圧を印加して1分後に、密閉容器内の気体を100ml採取した。採取した気体をオゾン検知管(商品名:182SB、光明理化学工業社製)に吸引させ、プラズマアクチュエータ103からの誘起流に含まれる測定オゾン濃度(PPM)を測定した。測定されオゾン濃度の値を用いて、次式により、単位時間あたりのオゾン発生量を求めた。
Figure 2023098525000002
その結果、単位時間あたりのオゾン発生量は18μg/分であった。このとき、加湿空気によるオゾンの分解の影響を受けないように、加湿装置には電源を入れなかった。
最後に、プラズマアクチュエータ103と加湿装置の両方ともが稼働している場合のオゾン発生量を測定した。プラズマアクチュエータ103の稼働条件は、プラズマアクチュエータ103のみを稼働した場合に18μg/分のオゾンを発生する条件である。また、加湿装置は、放出部における気体流速が、0.0m/秒~0.5m/秒となる範囲において、ポンプの気体流量を制御することで、放出部の出口における相対湿度95%RH(温
度25℃)、となるように調整した。このとき、デジタル温湿度計(商品名:CHF-TP1;サンワサプライ社製)を用いて湿度を測定した。そして、プラズマアクチュエータ
103と加湿装置の両方を稼働させた。開口部106、吸気部109それぞれで湿度を測定したところ。開口部106においては、90%RH、吸気部109においては、60%RHであった。そして、このときのオゾン発生量は、7μg/分であった。18μg/分からの減少分の11μg/分が、水分によって活性酸素に変化したオゾンの量であると考えられる。
2-1.活性酸素の検出試験(メチレンブルーの吸光度)
開口部106から流出した気流中の活性酸素の有無をメチレンブルーの脱色を用いて確認した(非特許文献1参照)。メチレンブルーは、青色光沢を持つ結晶性粉末で、水やエタノールに可溶なことから、溶液の状態で染色薬や指示薬として用いられる。そして、メチンブルーは、活性酸素と反応して分解し、青色を消失する。そのため、誘起流中の活性酸素の有無を、メチレンブルーの脱色(青色消失)によって確認できる。
具体的には、以下の操作を行った。メチレンブルー(関東化学製、特級)と蒸留水を混合し、0.01%メチレンブルー水溶液を調製した。当該メチレンブルー水溶液15mlをシャーレ(栄研科学製AB4000、円柱形88mm径)に入れた。そして、メチレンブルー水溶液が入ったシャーレAを準備した。シャーレAの表面中心と活性酸素供給装置101の開口部106の中心が向かい合い、距離が1mmとなるように配置した。
続いて、活性酸素供給装置101の両電極間に2.4kVpp、周波数80kHzのサイン波形を有する交流電圧を印加すると共に、加湿装置を同条件(放出部の出口における相対湿度95%RH(温度25℃))にて作動させ、該開口から流出した誘起流を該液面
に向けて120分間供給してメチレンブルー水溶液を処理した。
誘起流照射後のメチレンブルー水溶液をシャーレからセルに移し替え、分光光度計(商品名:V-570;日本分光(JASCO)社製)にてメチレンブルーの光吸収量の変化を測定した。メチレンブルーは波長664nmに強い吸収を有するため、当該波長の吸光度の変化から、メチレンブルーの脱色の程度を算出できる。本試験においては、まず、蒸留水のみを参照セルに入れ、誘起流を照射前の0.01%メチレンブルー水溶液をサンプルセルに入れて測定したところ、吸光度は2.32Abs.であった。一方、誘起流照射後のメチレンブルー水溶液の吸光度は0.19Abs.であった。よって吸光度の低下率は、((2.32-0.19)/2.32)×100=92%であった。
2-2.処理(除菌)試験
活性酸素供給装置101を用いて、以下の手順にて大腸菌の除菌試験を実施した。なお、本除菌試験に用いる器具は全て、オートクレーブを用いた高圧蒸気滅菌を行ったものを用いた。また、本除菌試験はクリーンベンチ内で行った。
まず、LB培地(トリプトン2g、イーストエクストラクト1g、塩化ナトリウム1gに蒸留水を入れ200mlにしたもの)の入った三角フラスコに、大腸菌(商品名「KWIK-STIK(大腸菌(Escherichia coli)ATCC8739)」、Microbiologics社製)を入れ、温度37℃で48時間、80rpmで振とう培養した。培養後の大腸菌の菌液は9.2×10(CFU/ml)であった。
この培養後の菌液0.010mlを縦3cm、横1cmの定性濾紙(品番:No.5C、アドバンテック社製)上にマイクロピペットを用いて滴下し試料No.1を作製した。また、菌液は、濾紙の一方の面に滴下したのみとした。同様にして試料No.2を作製した。
次に、試料No.1を、10mlの緩衝液(商品名:Gibco PBS;Thermo Fisher Scientific社)を入れた試験管に1時間浸漬した。なお、濾紙上の菌液が乾かないように、菌液の濾紙への滴下から、緩衝液への浸漬までの時間を60秒とした。
次に、試料No.1を浸漬後の緩衝液(以降、「1/1液」ともいう)1mlを9mlの緩衝液が入った試験管に入れて希釈液(以降、「1/10希釈液」)を調製した。緩衝液での希釈倍率を変更したこと以外は同様にして、1/100希釈液、1/1000希釈液、及び、1/10000希釈液を調製した。
次いで、1/1液から0.050mlを採取し、スタンプ培地(ぺたんチェック25PT1025 栄研化成社製)に塗抹した。この操作を繰り返して、1/1液が塗抹されたスタンプ培地を2つ作成した。2つのスタンプ培地を恒温槽(商品名:IS600;ヤマ
ト科学社製)に入れ、温度37℃で24時間培養した。2つのスタンプ培地上に発生したコロニー数をカウントし、その平均値を算出した。
1/10希釈液、1/100希釈液、1/1000希釈液及び1/10000希釈液についても上記と同様にして、希釈液毎に2つの塗抹済スタンプ培地を作成し、培養した。そして、各希釈液に係るスタンプ培地毎に発生したコロニー数をカウントし、平均値を算出した。結果を表1-1に示す。
Figure 2023098525000003
上記表1-1の結果から1/100希釈液を培養したときのコロニー数が54であること、従って、試料No.1に係る1/1液の0.050ml中に存在する菌数は、54×10=5400(CFU)であることが分かった。
次に試料No.2について以下の操作を行った。
縦30cm、横30cm、厚さ5mmのプラスチック平板の中央に、縦3.5cm、横1.5cm、深さ1.4mmの凹部を設けた。該凹部内に、縦3.5cm、横1.5cmの濾紙を敷いた。この濾紙上に試料No.2を、その菌液滴下面が、凹部の底部に敷いた濾紙と対向するように設置した。濾紙の厚みは0.2mmであったため、該凹部の深さは1mmとなった。次いで、該プラスチック平版の該濾紙を設置した部分に、活性酸素供給装置を、その開口の長手方向の中心が、該凹部の長手方向中心と一致し、かつ、その開口の幅方向の中心が該凹部の短手方向の中心と一致するように配置した。よって、活性酸素供給装置の開口106と濾紙の該開口に面する側の面との距離は1mmとなった。次いで、活性酸素供給装置の両電極間に2.4kVpp、周波数80kHzのサイン波形を有する交流電圧を印加すると共に、加湿装置を同条件(放出部の出口における相対湿度95%
RH(温度25℃))にて作動させて、該濾紙に向けて誘起流を供給した。供給時間(処理時間)は10秒とした。
また、活性酸素供給装置を用いた処理過程で、菌液を滴下した濾紙が極力乾燥しないように、菌液の濾紙への滴下から、緩衝液への浸漬までの時間を60秒とした。
処理を終えた試料No.2を、凹部の底部に敷いた濾紙と共に10mlの緩衝液( 商
品名:Gibco PBS;Thermo Fisher Scientific社)を入れた試験管に1時間浸漬した。次いで、浸漬後の緩衝液(以降、「1/1液」)1mlを9mlの緩衝液が入った試験管に入れて希釈液(1/10希釈液)を調製した。緩衝液での希釈倍率を変更したこと以外は同様にして、1/100希釈液、1/1000希釈液、及び、1/10000希釈液を調製した。
次いで、1/1液から0.050mlを採取し、スタンプ培地(商品名:ぺたんチェッ
ク25 PT1025 栄研化成社製)に塗抹した。この操作を繰り返して、1/1液
が塗抹されたスタンプ培地を2つ作成した。合計2つのスタンプ培地を恒温槽(商品名:IS600;ヤマト科学社製)に入れ、温度37℃で24時間培養した。1/1液に係るスタンプ培地毎に発生したコロニー数をカウントし、平均値を算出した。1/10希釈液、1/100希釈液、1/1000希釈液及び1/10000希釈液に ついても上記と
同様にして、希釈液毎に2つの塗抹済スタンプ培地を作成し、培養した。そして、各希釈
液に係るスタンプ培地毎に発生したコロニー数をカウントし、平均値を算出した。結果を下記表1-2に示す。
Figure 2023098525000004
表1-2に示した通り、活性酸素供給装置により処理を行わなかった試料No.1に係る1/1液の0.050ml中の菌数は5400(CFU)であったのに対し、処理後の
試料No.2に係る1/1液の0.050ml中の菌数は36(CFU)であった。この
ことから、本実施例に係る活性酸素供給装置による10秒の処理によって、99.33%((5400-36/5400)×100)の除菌が達成されたことが分かった。
<実施例2、3>
実施例1において、加湿装置のポンプの気体流量を制御することで、各々開口部において測定される湿度が80%RHまたは70%RHとなるように調整した。それ以外は、実施例1と同様にして活性酸素処理装置を作製した。この活性酸素処理装置を用いて、実施例1と同様にしてプラズマアクチュエータのみを稼働させたときのオゾン発生量、及び、プラズマアクチュエータと加湿装置とを稼働させたときのオゾン発生量を測定した。また、実施例1と同様にして、メチレンブルーの脱色試験および除菌試験に供した。
<実施例4>
加湿空気の放出部を、図1Bに示すようにプラズマアクチュエータの起こす誘起流の上流側に配置した活性酸素処理装置を作製した。具体的には、Φ6mmの放出部108中心と、プラズマアクチュエータの第1の電極203の縁部204との距離(図1Bにおける符号108-2)を10mmとした。このとき、放出部108中心から吸気部109までの距離は5mmであった。それら以外は、実施例1に係る活性酸素処理装置と同様にして本実施例に係る活性酸素処理装置を作製した。この活性酸素発送装置の吸気部109における湿度、及び、開口部106における湿度は、各々、90%RH、88%RHであった。この活性酸素処理装置を用いて、実施例1と同様にしてプラズマアクチュエータのみを稼働させたときのオゾン発生量、及び、プラズマアクチュエータと加湿装置とを稼働させたときのオゾン発生量を測定した。さらに、また、実施例1と同様にして、メチレンブルーの脱色試験および除菌試験に供した。
<実施例5,6>
実施例4において、加湿装置のポンプの気体流量を制御することで、吸気部109において測定される湿度が76%RHまたは66%RHとなるように調整した。それ以外は、実施例4と同様にして活性酸素処理装置を作製した。この活性酸素処理装置を用いて、実施例1と同様にしてプラズマアクチュエータのみを稼働させたときのオゾン発生量、及び、プラズマアクチュエータと加湿装置とを稼働させたときのオゾン発生量を測定した。また、実施例1と同様にして、メチレンブルーの脱色試験および除菌試験に供した。
<実施例7>
実施例1のプラズマアクチュエータの印可電圧を2.4kVppから2.0kVppに
変更した以外は実施例1と同様にして活性酸素供給装置を作製し、評価した。
<比較例1>
実施例1において、相対湿度30%RH(温度25℃)に保った室内にて活性酸素供給装置を稼働すると共に、活性酸素供給装置の加湿装置を停止した。その結果、開口部106において測定される湿度も30%RHとなった。このような活性酸素供給装置を用いて、実施例1と同様にしてプラズマアクチュエータのみを稼働させたときのオゾン発生量、及び、プラズマアクチュエータと加湿装置とを稼働させたときのオゾン発生量を測定した。また、実施例1と同様にして、メチレンブルーの脱色試験および除菌試験に供した。
<比較例2>
比較例1の室内の相対湿度を15%RH(温度25℃)にした以外は、比較例1と同様にして活性酸素供給装置を評価した。
実施例1~7及び比較例1~2の評価結果を表2に示す。
Figure 2023098525000005
101:活性酸素供給装置(活性酸素による処理装置)、103:プラズマ発生装置(プラズマアクチュエータ)、104:被処理物、104-1:被処理物の処理表面、105:誘起流、106:開口部、107:筐体、108:放出部、109:吸気部

Claims (16)

  1. 加湿装置と、
    少なくとも一つの開口部を有する筐体と、該筐体の内部にプラズマアクチュエータとを具備し、
    該プラズマアクチュエータは、第1の電極、誘電体及び第2の電極がこの順に積層されてなり、
    該第1の電極は、該誘電体の一方の表面である第1の表面上に設けられた露出電極であり、
    該プラズマアクチュエータは、該第1の電極と該第2の電極との間に電圧を印加することで、該第1の電極から該第2の電極に向かう誘電体バリア放電を生じ、該第1の電極から該誘電体の表面に沿った一方向である第1方向にオゾンを含む誘起流を吹き出すものであり、
    該加湿装置は、該筐体の内部を加湿し、該誘起流中に活性酸素を発生させ、該誘起流は該活性酸素を含む誘起流となり、
    該プラズマアクチュエータ及び該加湿装置は、該活性酸素を含む該誘起流が、該開口部から該筐体の外に流出するように配置されていることを特徴とする、活性酸素供給装置。
  2. 前記プラズマアクチュエータの厚さ方向の断面をみたときに、
    前記プラズマアクチュエータの該厚さ方向に前記第1の電極と前記第2の電極とが前記誘電体を介して斜向かいに配置されており
    前記誘電体の前記第1の表面の一部を被覆するように前記第1の電極が設けられ、
    前記第1の表面は、前記第1の電極で覆われていない露出部を有し、
    前記プラズマアクチュエータを前記第1の電極側から透視したとき、該露出部の少なくとも一部と前記第2の電極とが重なりを有し、
    前記オゾンを含む前記誘起流は、該厚さ方向の該断面における前記第1の電極の前記第1方向側の縁部から、前記第2の電極と重なっている前記誘電体の該露出部に沿って吹き出す、請求項1に記載の活性酸素供給装置。
  3. 前記プラズマアクチュエータの前記厚さ方向の断面において、前記第1の電極の前記第1方向側の縁部を縁部Aとし、前記第2の電極における前記第1方向と逆方向である第2方向側の縁部を縁部Bとしたとき、
    該縁部Bが、該縁部Aよりも前記第2方向側に位置している、請求項1又は2に記載の活性酸素供給装置。
  4. 前記プラズマアクチュエータを前記第1の電極側から透視したときに、前記第1の電極の前記第1方向側の縁部を縁部Aとし、前記第2の電極における前記第1方向と逆方向である第2方向側の縁部を縁部Bとしたとき、
    該縁部Bが、該縁部Aよりも前記第2方向側に位置している、請求項1~3のいずれか一項に記載の活性酸素供給装置。
  5. 前記プラズマアクチュエータの前記厚さ方向の断面において、前記第1の電極の前記第1方向側の縁部を縁部Aとし、前記第2の電極における前記第1方向と逆方向である第2方向側の縁部を縁部Bとしたとき、
    該縁部Bが、該縁部Aよりも前記第1方向側に位置している、請求項1又は2に記載の活性酸素供給装置。
  6. 前記プラズマアクチュエータを前記第1の電極側から透視したときに、前記第1の電極の前記第1方向側の縁部を縁部Aとし、前記第2の電極における前記第1方向と逆方向である第2方向側の縁部を縁部Bとしたとき、
    該縁部Bが、該縁部Aよりも前記第1方向側に位置している、請求項1、2又は5に記載の活性酸素供給装置。
  7. 前記プラズマアクチュエータを前記第1の電極側から透視したときに、前記第1の電極の前記第1方向側の縁部を縁部Aとし、前記第2の電極における前記第1方向と逆方向である第2方向側の縁部を縁部Bとしたとき、
    該縁部Aと該縁部Bとが、前記誘電体の厚さ方向において一致している、請求項1又は2に記載の活性酸素供給装置。
  8. 前記プラズマアクチュエータにおける、前記誘起流を加湿しない状態での単位時間あたりのオゾン発生量が、8μg/分以上である、請求項1~7のいずれか1項に記載の活性酸素供給装置。
  9. 前記活性酸素供給装置の前記開口部を鉛直下方に向けた場合において、前記プラズマアクチュエータの前記第1の電極の前記縁部から前記誘電体の前記第1の表面の前記露出部に沿う方向の延長線と水平面とのなす狭角θが、0°~90°である、請求項1~8のいずれか1項に記載の活性酸素供給装置。
  10. 前記加湿装置と前記プラズマアクチュエータとの距離が、10mm以下である、請求項1~9のいずれか1項に記載の活性酸素供給装置。
  11. 前記加湿装置が、前記開口部を介して前記筐体の外に置かれた被処理物を加湿可能に配置されている、請求項1~10のいずれか1項に記載の活性酸素供給装置。
  12. 前記プラズマアクチュエータと、前記加湿装置と、前記開口部とが、前記筐体の内部の長手方向に向かってこの順に配置されている、請求項1~11のいずれか1項に記載の活性酸素供給装置。
  13. 被処理物の表面を活性酸素で処理する処理装置であって、
    加湿装置と、
    少なくとも一つの開口部を有する筐体と、該筐体の内部にプラズマアクチュエータとを具備し、
    該プラズマアクチュエータは、第1の電極、誘電体及び第2の電極がこの順に積層されてなり、
    該第1の電極は、該誘電体の一方の表面である第1の表面上に設けられた露出電極であり、
    該プラズマアクチュエータは、該第1の電極と該第2の電極との間に電圧を印加することで、該第1の電極から該第2の電極に向かう誘電体バリア放電を生じ、該第1の電極から該誘電体の表面に沿った一方向である第1方向にオゾンを含む誘起流を吹き出すものであり、
    該加湿装置は、該オゾンを含む該誘起流を加湿し、該誘起流中に活性酸素を発生させ、該誘起流は該活性酸素を含む誘起流となり、
    該プラズマアクチュエータ及び該加湿装置は、該活性酸素を含む該誘起流が、該開口部から該筐体の外に流出するように配置されていることを特徴とする、活性酸素による処理装置。
  14. 前記加湿装置は、前記被処理物の表面を加湿可能に配置されている、請求項13に記載の活性酸素による処理装置。
  15. 被処理物の表面を活性酸素で処理する処理方法であって、
    活性酸素による処理装置を用意する工程を有し、
    該活性酸素による処理装置は、加湿装置と、少なくとも一つの開口部を有する筐体と、該筐体の内部にプラズマアクチュエータとを具備し、
    該プラズマアクチュエータは、第1の電極、誘電体及び第2の電極がこの順に積層されてなり、
    該第1の電極は、該誘電体の一方の表面である第1の表面上に設けられた露出電極であり、
    該プラズマアクチュエータは、該第1の電極と該第2の電極との間に電圧を印加することで、該第1の電極から該第2の電極に向かう誘電体バリア放電を生じ、該第1の電極から該誘電体の表面に沿った一方向である第1方向にオゾンを含む誘起流を吹き出すものであり、
    該加湿装置は、該オゾンを含む該誘起流を加湿し、該誘起流中に活性酸素を発生させ、該誘起流は該活性酸素を含む誘起流となり、
    該プラズマアクチュエータ及び該加湿装置は、該活性酸素を含む該誘起流が、該開口部から該筐体の外に流出するように配置されており、
    該処理方法は、さらに該用意した該活性酸素による処理装置と、該被処理物とを、該開口部から該活性酸素を含む該誘起流を流出させたときに該被処理物の表面が曝される相対的な位置に置く工程と、
    該開口部から該誘起流を流出させて、該被処理物の表面を活性酸素で処理する工程と、を有することを特徴とする、活性酸素による処理方法。
  16. 前記加湿装置と前記被処理物の表面との距離が、10mm以下である、請求項15に記載の活性酸素による処理方法。
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