JP4930912B2

JP4930912B2 - プラズマ殺菌装置

Info

Publication number: JP4930912B2
Application number: JP2002151702A
Authority: JP
Inventors: 武長澤
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2002-05-27
Filing date: 2002-05-27
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2022-05-27
Also published as: JP2003340454A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ殺菌装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような技術分野の技術としては、以下に開示されるようなものがあった。
【０００３】
（１）高電圧パルスによる殺菌装置（例えば、特開昭６３−８２６６６号公報参照）は同軸円筒管とパルス発生器を用いているが、２０ｋＶもの電圧を印加する必要があるため危険であるとともに、多くのオゾンを発生すると考えられる。したがって、殺菌もオゾンによる割合が大きいといえる。
【０００４】
（２）排水処理装置（特開２００１−２５２６６５号公報参照）は同軸円筒の内側の電極に突起物を取り付け、パルス放電を行うようにしている。放電電圧は５０ｋＶであり、上記（１）と同様に大量のオゾンを発生すると考えられる。
【０００５】
（３）この他に電極を絶縁物で覆うことで水中の電界を強め、放電を行う方法があるが、放電による絶縁物の溶解が考えられ、飲料水用の放電部に使用することは適当であるとは言えない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来のそれぞれの殺菌装置は問題を有しており、技術的に満足のいくものではなかった。
【０００７】
本発明は、上記状況に鑑み、高圧インパルス電圧を印加し、安全で、しかも構成が簡便なプラズマ殺菌装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕プラズマ殺菌装置において、内径が１．８ｍｍ、長さ１０ｍｍのステンレス管からなる外側の円筒状電極の一端を塞ぐとともにこの外側の円筒状電極の外側にこの外側の円筒状電極より内径が大きい同軸円筒管を配置し、この同軸円筒管の下流側の端を塞いで前記外側の円筒状電極を固定し、直径が１ｍｍ、長さが１ｍｍであるステンレス棒からなる内側の円形芯状電極を前記外側の円筒状電極の上流側の先端の塞がれた部位に設置し、前記電極間の絶縁性を高め、前記電極間に短波長の高圧インパルス電圧を出力する電源を接続し、前記電圧で前記電極間に放電を生じさせ、前記外側の円筒状電極の側面であって、かつ前記内側の円形芯状電極の周辺に２個の穴を空けて、この２個の穴を介して前記外側の円筒状電極の内部へ水の流入を行い、電界を前記２個の穴と前記内側の円形芯状電極の周辺に集中させ、電界強度を強化するとともに放電路が水に与える効率を高めることを特徴とする。
【０００９】
〔２〕上記〔１〕記載のプラズマ殺菌装置において、前記電極間には電圧２−３ｋＶの半正弦波パルスを印加することを特徴とする。
【００１０】
〔３〕上記〔１〕記載のプラズマ殺菌装置において、前記電源が乾電池（３Ｖ）とイグナイターからなることを特徴とする。
【００１１】
上記のように、
１．水中に同軸状電極を設置し、外側の円筒状電極の寸法より内側の円形芯状電極の寸法を極端に小さくするようにしたので、前記電極間の絶縁性を高め、低電圧で電極間に放電を生じさせることができる。
【００１２】
２．高圧インパルス電圧による放電が可能であるために、電源部は乾電池（３Ｖ）とイグナイターだけでも可能であり、携帯用としても製品化できる。
【００１３】
３．電極に同軸円筒状電極と円形芯状電極とを用いるので、円筒効果で電界を強くすることができる。
【００１４】
４．外側の円筒状電極の側面に穴を空けて水の流入（出）口にする構造は、電界を穴と内側の円形芯状電極の周辺に集中させ、電界強度を強化するとともに放電路が水に与える効率を高めることができる。
【００１５】
５．電極間には短波長の高圧インパルス電圧を印加する。このシステムによって電極間にはパルス的な高電界が生じ、強烈な水中放電が行われるとともに電極間にブラシュ状の放電が生成される。この放電による紫外線や高エネルギーの電子で水中の殺菌を行うことができる。
【００１６】
６．外側の円筒状電極の側面に水の流入口の穴を空けること及び、内側の円形芯状電極を外側の円筒状電極に比べて非常に小さくすることで放電電圧を低く（２−３ｋＶ）することができる。
【００１７】
７．電圧が低いのでオゾンの発生が抑えられる。
【００１８】
８．電極を絶縁物で覆わないので、放電による絶縁物の溶解はない。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２０】
図１は本発明の実施例を示すプラズマ殺菌装置の放電装置の模式図、図２はその放電装置によるストリーマ状プラズマを示す図（代用写真）である。
【００２１】
これらの図において、１は電源、２は外側に配置される直径の大きい同軸円筒状電極、３はその同軸円筒状電極２の内部に配置される直径の小さい円形芯状電極（例えば、棒状電極、円柱状電極、円筒状電極など）、４はブラシュ状の放電、５は供給される水、６は同軸円筒状電極２の外部に配置され、ブラシュ状の放電４に供給される水５を導入する同軸円筒管、７は円形芯状電極３の近傍で同軸円筒状電極２の側面に形成される穴である。
【００２２】
図１に示すように、１．５Ｖの乾電池の電圧をイグナイターで高圧に変換して放電用の電源１とし、その電源１からの高電圧を同軸円筒状電極２と円形芯状電極３とに印加するようにしている。それにより火花放電とともに同軸円筒状電極２と円形芯状電極３の間にブラシュ状の放電４が生じる。
【００２３】
ここで、プラズマ殺菌装置の放電装置の特徴について述べると、放電装置は同軸円筒状電極２と円形芯状電極３からなり、外側の同軸円筒状電極２の寸法に対する内側の円形芯状電極３の寸法は、直径を小さくし、かつ長さを極端に小さくする。この理由は同軸円筒状電極２と円形芯状電極３間の絶縁性を高めるためである。例えば、同軸円筒状電極２は内径１．８ｍｍ、長さ１０ｍｍのステンレス管であり、円形芯状電極３は直径１ｍｍ、長さ１ｍｍのステンレス棒である。
【００２４】
供給される水５は、円形芯状電極３近傍で同軸円筒状電極２の側面に形成された穴７より円形芯状電極３に流れ込む。その穴７の周辺には電気力線が集中するため、水の流れ込む領域で放電が起きやすくなっている。
【００２５】
同軸円筒管６は絶縁物（アクリル）であり、同軸円筒状電極２を支えるとともに水５を遮断している。電源１の電圧波形は半正弦波パルス（電圧２−３ｋＶ）、あるいは乾電池（３Ｖ）とイグナイターを用いる。周波数は流速に応じて決める。
【００２６】
放電によって水５は電極２，３間の電気分解で水素と酸素に分解されるとともに電気力によって多くの気泡を生じる。この気泡内（空気）には汚れた成分が含まれているので気泡放電を行うことで水５を殺菌することができる。
【００２７】
以下、本発明のプラズマ殺菌装置の原理について説明する。
【００２８】
図３は本発明のプラズマ殺菌装置の電極間に生じる放電の様子と放電電圧波形を示す図であり、図３（ａ）はその電極間に生じる放電の様子を、図３（ｂ）はその放電電圧の波形を示している。なお、図３（ｂ）において、周波数は８Ｈｚである。
【００２９】
図３（ａ）に示すように、外側の同軸円筒状電極２と内側の円形芯状電極３間に直接放電を生じる火花放電４ａと気泡の中で放電する気泡放電４ｂが生成される。図３（ｂ）に示すように、放電波形はインパルスを用いる。
【００３０】
図４は放電で生じる気泡８（穴７による水５の流入口が強電界になるので、この部分に気泡８が生じる）の中を通して放電する様子を示す。
【００３１】
このような水５の流入機構にすることによって、水５への放電効果を向上させることができる。
【００３２】
次に、本発明の実施例を示すプラズマ殺菌清涼水器について説明する。
【００３３】
従来は、一般の細菌や大腸菌、またカビを殺菌するために大量の塩素の注入や沸騰による熱処理をしているので、塩素や高温のために飲料水として“うまみ”がなくなる。
【００３４】
図５は本発明の実施例を示すプラズマ殺菌清涼水器の模式図である。
【００３５】
この図において、１００は清涼水器、１０１は浄水部、１０２は汚物排除部、１０３は空気混合部、１０４は清涼空気ボンベ、１０５は放電用電源、１０６は水道水、１０７は処理された清涼水、１０８は殺菌された空気排気口である。
【００３６】
本発明のプラズマ殺菌清涼水器は、まず、浄水部１０１において、水道水１０６中に溶け込んでいる汚れた空気の気泡を放電による圧力変動で生じさせ、ストリーマ放電で気泡殺菌を行う。次に、加速電子で塩素を水分子から解離する。
【００３７】
空気混合部１０３では、清涼空気ボンベ１０４からの新鮮な空気を溶け込ませ、清涼水１０７として得ることができる。
【００３８】
以上の過程からなる。
【００３９】
浄水部１０１には図１に示した放電装置を清涼水器の大きさに応じて複数設置する。
【００４０】
電源にイグナイターを用いると、携帯用の殺菌効果のある浄水器の製作が可能であり、乾電池１個でどこでも飲料水を得ることができる。
【００４１】
次に、水中プラズマによる殺菌効果について説明する。
【００４２】
図６はその殺菌効果を示す図である。
【００４３】
上記したプラズマ殺菌装置（水中プラズマ生成装置）（円筒状電極：直径２ｍｍ、長さ１０ｍｍ）を装備した容器の水９ｃｃ中に大腸菌を入れ、電極内のプラズマによる殺菌効果を調べた。大腸菌を含んだ水は電極内を通して容器から外部へ流れ出るようにした。また、放電はイグナイター（高圧発生器：入力電圧３Ｖ、周波数１５Ｈｚ、出力電圧１０ｋＶ）を用いた。
【００４４】
図６（ａ）はシャーレ上の菌の様子、図６（ｂ）は菌の数と時間との関係を示す。なお、図６（ｂ）において、Ｎは大腸菌の数、Ｎ₀は放電前の大腸菌の数（初期値）である。
【００４５】
図６（ｂ）に示すように、放電時間と共に大腸菌が減少し、１５０秒でほぼ死滅した。これは大腸菌がプラズマで生成された高エネルギー電子によって死滅したものと考えられる。
【００４６】
次に、本発明の第１の応用例について説明する。
【００４７】
図７は本発明の第１の応用例を示すプラズマ殺菌装置を示す模式図であり、図７（ａ）はそのエレメントの模式図、図７（ｂ）はその全体を示す斜視図である。
【００４８】
この図に示すように、多数の電極を１組にして水道管に取り付けることで、水中の空気成分が放電殺菌された水道水が得られる。
【００４９】
沸騰殺菌は多くの熱量を必要とするために多くの電力が必要になるが、本発明のプラズマ殺菌装置を用いた放電殺菌は熱湯化が必要ないので消費電力は少ない。また、後処理の問題がない。
【００５０】
次に、本発明の第２の応用例について説明する。
【００５１】
図８は本発明の第２の応用例を示すプラズマ殺菌装置の構成図であり、洗濯機２００の注水口２０１に図１に示す放電装置を装着して、水道水から気泡を排出した後の水を洗濯機２００の中に注入する。なお、９は水道管である。
【００５２】
この図において、気泡が取り除かれた水は洗濯物に浸透しやすくなり、汚れを落とすのに効果的である。したがって、洗剤が少なくて済む。
【００５３】
次に、水中プラズマ生成法について説明する。
【００５４】
（１）円筒状電極（直径２ｍｍ、長さ１０ｍｍ）を用いて実験を行った。
【００５５】
電極管内の電界Ｅ、電極間のインピーダンスｚは次のようになる。
【００５６】
１／ｚ＝１／Ｒ＋ｊωＣ
Ｉ＝Ｖ_d／｜ｚ｜
Ｅ＝Ｖ_d／〔ｒｌｎ（ｂ／ａ）〕
ここで、Ｖ_dは放電電圧、Ｉは電極間電流、Ｒは電極間の抵抗、Ｃは電極間の容量、ａは内側電極の半径、ｂは外側電極の半径である。
【００５７】
水中放電を起こすためには、水による電極間の短絡を防ぐ、すなわち、電極間の絶縁性を大きくする（Ｉ＝０）必要がある。したがって、Ｒを大きくし、Ｃを小さくすれば良い。
【００５８】
加える放電電圧を一定にし、内側電極の半径ａを一定にした場合、外側電極の半径ｂが大きくなるとともに電界が弱まる。したがって、外側電極の径が大きくなる（内側電極の径を一定：直径１ｍｍ）ほど、火花放電の放電路が細くなる。
【００５９】
内側電極を絶縁物で覆ったのは電極間の絶縁性を大きくするためである。
【００６０】
絶縁物で覆わない場合は、内側電極の長さを短くし、電極間の抵抗を大きくすれば、水中プラズマができる。
【００６１】
水中プラズマによる殺菌効果は、図６（ｂ）に示したものと同様である。
【００６２】
次に、気泡の発生について説明する。
【００６３】
図９はそのプラズマ殺菌装置の気泡の発生状態を示す図（代用写真）である。
【００６４】
水中プラズマ生成でも気泡が発生するが、むしろ高周波熱湯発生装置の場合のほうがはるかに発生し、スイッチを入れた瞬間に熱湯が飛び出る。水中プラズマでは光を発生するため、エネルギーは発光に使われ、熱化現象はほとんど生じない。したがって、水中プラズマは水中の殺菌や液体成分の解離等に応用性がある。
【００６５】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００６６】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００６７】
（１）水道水の殺菌をパルス放電による小電力量で行うことができる。
【００６８】
（２）放電を用いるので、後処理の問題がない。
【００６９】
（３）水中の気泡を排除できるので、洗浄効果が上がり、洗剤を少なくすることができる。
【００７０】
（４）電源にイグナイターを用いることによって、携帯用の殺菌可能な浄水器ができ、どこでも安心して飲料水を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示すプラズマ殺菌装置の放電装置の模式図である。
【図２】本発明の実施例を示すプラズマ殺菌装置の放電装置によるストリーマ状プラズマを示す図（代用写真）である。
【図３】本発明のプラズマ殺菌装置の電極間に生じる放電の様子と放電電圧波形を示す図である。
【図４】放電で生じる気泡の中を通して放電する様子を示す図である。
【図５】本発明の実施例を示すプラズマ殺菌清涼水器の模式図である。
【図６】本発明のプラズマ殺菌清涼水器の殺菌効果を示す図である。
【図７】本発明の第１の応用例を示すプラズマ殺菌装置の放電装置を示す模式図である。
【図８】本発明の第２の応用例を示すプラズマ殺菌装置の放電装置の構成図である。
【図９】本発明のプラズマ殺菌装置の気泡の発生状態を示す図（代用写真）である。
【符号の説明】
１電源
２外側の同軸円筒状電極
３内側の円形芯状電極
４ブラシュ状の放電プラズマ
４ａ火花放電
４ｂ気泡放電
５供給される水
６同軸円筒管
７同軸円筒状電極の側面に形成される穴
８気泡
９水道管
１００清涼水器
１０１浄水部
１０２汚物排除部
１０３空気混合部
１０４清涼空気ボンベ
１０５放電用電源
１０６水道水
１０７処理された清涼水
１０８殺菌された空気排気口
２００洗濯機
２０１注水口

Claims

内径が１．８ｍｍ、長さ１０ｍｍのステンレス管からなる外側の円筒状電極の一端を塞ぐとともに該外側の円筒状電極の外側に該外側の円筒状電極より内径が大きい同軸円筒管を配置し、該同軸円筒管の下流側の端を塞いで前記外側の円筒状電極を固定し、直径が１ｍｍ、長さが１ｍｍであるステンレス棒からなる内側の円形芯状電極を前記外側の円筒状電極の上流側の先端の塞がれた部位に設置し、前記電極間の絶縁性を高め、前記電極間に短波長の高圧インパルス電圧を出力する電源を接続し、前記電圧で前記電極間に放電を生じさせ、前記外側の円筒状電極の側面であって、かつ前記内側の円形芯状電極の周辺に２個の穴を空けて、該２個の穴を介して前記外側の円筒状電極の内部へ水の流入を行い、電界を前記２個の穴と前記内側の円形芯状電極の周辺に集中させ、電界強度を強化するとともに放電路が水に与える効率を高めることを特徴とするプラズマ殺菌装置。
請求項１記載のプラズマ殺菌装置において、前記電極間には電圧２−３ｋＶの半正弦波パルスを印加することを特徴とするプラズマ殺菌装置。
請求項１記載のプラズマ殺菌装置において、前記電源が乾電池（３Ｖ）とイグナイターからなることを特徴とするプラズマ殺菌装置。