KR20070107681A

KR20070107681A - 가스 플라즈마 살균 장치

Info

Publication number: KR20070107681A
Application number: KR1020077016980A
Authority: KR
Inventors: 빠스꺌 흐제르; 앙드레 히꺄르; 싸라 꾸스띠
Original assignee: 쏘시에떼 뿌르 라 꽁셉씨옹 데 아쁠리까씨옹 데 테끄니끄 엘레트로니끄, 싸트렉
Priority date: 2004-12-23
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2007-11-07
Also published as: BRPI0519220A2; FR2880235A1; IL183864A0; TW200628177A; US20090035196A1; ES2532261T3; US7928339B2; IL183864A; JP2008525952A; FR2880235B1; BRPI0519220B1; RU2388195C2; TWI389710B; CN101147431B; DK1829438T3; EP1829438A1; RU2007123086A; JP5107052B2; WO2006070107A8; EP1829438B1

Abstract

본 발명은 특정 정격소비전력(Pn)의 마이크로파 소스로 이온화하여 가스 플라즈마를 생성하고, 공급 회로로부터 전력을 수용하는 마그네트론(7)을 포함하는 장치에 관한 것이다. 이 장치는 공급 회로에 의해 마그네트론(7)에 전달되는 전력(Pd)이 마그네트론(7)의 정격소비전력(Pn)의 1/4 보다 크지 않은 것을 특징으로 한다.

플라즈마, 마그네트론, 전력, 회로

Description

가스 플라즈마 살균 장치{DEVICE FOR GASEOUS PLASMA STERILIZATION}

본 발명은 의료 기구용 살균 장치, 특히 가스 플라즈마를 사용하는 유형의 살균 장치에 관한 것이다.

플라즈마를 이용하여 살균하는 기술에 있어서, 자체적으로 박테리아를 죽이는 살균 성질이 없는 가스가 사용되고 있으며, 이 가스는 매우 높은 전기장의 영향을 받아 이온화되거나 분자가 분리된다는 것을 상기할 있다. 플라즈마 하류에서 생성되는 가스는 "배출후(post-discharge)" 가스라고 불리며, 이 가스는 살균 성질을 갖는다. 이 가스는 처리 챔버 내로 들어가서, 살균될 도구에 박테리아 살균 작용을 가한다.

종래 기술에서는 플라즈마를 방출하는데 있어서 충분한 세기를 갖는 전기장을 생성할 수 있는 두 가지 메인 루트, 즉 고주파 전류(HF) 및 마이크로파를 제시해왔다.

고주파 전류 기술은 마모되는 전극을 이용하므로 장치의 안전성이 좋지 못하게 되고 따라서 장치를 계속 조정하여야 하는 단점이 있다.

마이크로파 기술은 이러한 결점은 갖고 있지않지만 일부 제약을 받고 있으며, 이러한 제약은 특히 수명과 마이크로파를 생성하는 마그네트론의 주파수 안정도에 관한 것이다.

마이크로파 소스는 특정 작업을 수행하는데 적합한 에너지 흡수 공동 공진기에 에너지를 전송하는 도파관 내에서 에너지를 전달하는 마그네트론으로 이루어져 있다. 이 공동은 따라서 방출되는 에너지의 일부를 흡수하고, 나머지 에너지는 마그네트론쪽으로 반사된다. 마그네트론의 수명은 반사된 전력과 직접 관련되어 있다. 만일 너무 높으면, 마그네트론의 온도가 상승 되고, 따라서 최종적으로 파손될 수 있다.

산업적인 규모면에서, 특히 의료 기구를 살균하기 위한 배출후 가스를 사용하기 위해 가스 플라즈마를 생성하는 것이 필요하다면, 마그네트론이 의료 산업 분야에서 일반적으로 허용되는 수명과 양립하는 긴 수명을 가지도록 하는 것이 중요한 문제이다. 그러나, 명확하게, 공진 공동에 흡수되는 전력은 살균될 도구의 질량에 의존하기 때문에 달라질 수 있다. 따라서 마그네트론이 총 전력(거의 비어있는 공동 공진기에 대응함)에 대응하는 반사된 전력으로 그리고 비가역적인 손상을 겪지 않으면서 수없이 여러 번 작동될 수 있어야 한다는 것이 중요하다.

또한, 공진 공동이 매우 미세하게 조정된 특성 계수를 갖고 있기 때문에 마이크로파에 의해 플라즈마 가스를 여기시키는 것은 아주 안정적인 주파수를 요구하며, 따라서 주파수가 변하는 경우 장치는 디튠(detune)되고 가스 플라즈마에 전송되는 전력은 장치를 유지하기에는 더 이상 충분하지 않다는 것을 알 수 있다.

본 발명의 목적은 가스 플라즈마를 생성하기 위한 마이크로파 생성기를 제공함에 있어서, 탁월한 작동상의 안정성과 마그네트론의 최적 수명을 보장함으로써 상술한 단점을 해결하는 것이다.

본 발명의 또 다른 주제는, 공급 회로로부터 전기 에너지를 수용하는 마그네트론을 포함하는 정해진 정격소비전력의 마이크로파를 이용하여 가스를 이온화시킴으로써 가스 플라즈마를 생성하는 장치로서, 공급 회로에 의해 마그네트론에 전달되는 전력이 적어도 마그네트론의 정격소비전력의 1/4이 되는 것을 특징으로 하는 가스 플라즈마 생성 장치이다. 바람직하게, 이 전력은 마그네트론의 정격소비전력의 1/10 내지 1/4이다.

또한 바람직하게, 공급 회로에 의해 마그네트론에 전달되는 전력은 마그네트론의 정격소비전력에 마그네트론의 반사 계수를 곱한 값의 1/4에 지나지 않는다.

본 발명의 장치는 마그네트론에 전달되는 전력을 제한할 수 있는 수단을 포함할 수 있고, 이 수단은 온도가 80℃를 초과하지 않도록 하는 것이다.

본 발명은 가정용 제품 시장에서 구할 수 있는 회로를 이용할 수 있다는 점에서 그리고 대량으로 생산되므로 매우 경쟁력이 있는 원가를 가질 수 있다는 점에서 생산 비용의 레벨에서 매우 중요하다. 의학적 살균 영역과 같은 영역에서 똑같이 사용할 필요가 있을 때, 이러한 회로는 첫째로는 살균을 위해서 처리 공동에 의해 흡수될 수 있는 전력은 100W 정도일 뿐임에도 800W 정도의 전력을 갖는다는 점과 둘째로는 신뢰도가 낮다는 점에서 단점이 된다.

과잉 전력과 관련하여, 반사된 전력이 700W 정도가 될 것이기 때문에 이와 같은 회로를 사용하는 것을 고려할 수 없고, 즉각적으로 나타나는 효과는 마그네트론을 가열시켜 파괴하는 것이 될 것이다.

상기 회로를 사용하기 위해, 전력을 제한할 필요가 있다. 또한 마그네트론은 시동(start-up)을 위해 3 내지 4 kv 정도의 비교적 높은 피크 전압이 필요하다.

따라서 마그네트론의 시동을 위해 필요한 피크 전압에 손실을 일으킴이 없이 전력을 제한할 수 있어야만 한다.

본 발명에 따르면 마그네트론에 공급되는 전력은 제한되고, 이는 마그네트론 쪽으로 반사되는 에너지를 제한킬 것이며, 이러한 제한은 필요한 시동 부하를 줄이지 않고 이루어진다.

피크 전압을 충분한 값으로 유지시키면서 마그네트론에 공급되는 전력을 줄일 수 있는 특별히 중요한 한 가지 방법은, 2차 권선의 단자에 직렬로 배열된 다이오드와 커패시터를 갖는 전압 더블러를 사용하고, 전압을 떨어트리도록 충분히 낮은 값의 커패시터를 사용하는 것이다. 이러한 상황에서 시동 피크 부하를 보존하면서도 신뢰도를 충분히 보장할 수 있도록 마그네트론에 공급되는 전력이 충분히 감소되는 것이 발견되었다.

마크네트론은 정재파 비율(SWR)인 최대 허용 전력을 그 특징으로 하는 계수에 의해 특성이 결정지어진다는 것을 알 수 있다:

SWR = 1+r/1-r

여기에서 r은 방출된 전력에 대한 반사된 전력의 비율인 반사 계수이다.

따라서 마그네트론에 의해 열적으로 소산될 수 있는 에너지는 그 전력에 비례한다는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 마그네트론에 대한 평균 SWR이 4 정도인 것을 염두에 두면, 대응하는 반사 계수 r는 0.6이고, 이로써 800 와트의 정격소비전력을 갖는 마그네트론이 480 와트의 허용되는 반사 전력을 가지게 될 것이며, 반면에 300 와트의 정격소비전력을 갖는 마그네트론에 대한 동일한 값은 180 와트만 될 것이라는 것을 의미한다.

이러한 상황에서, 예를 들어 살균과 같이 결정된 작업에 필요한 전력이 100 와트가 된다고 하면, 그리고 장치가 수용되는 전력(비어있는 공진 엔클로저(enclosure)의 경우에 실질적으로 관련이 있음)을 문제 없이 100% 소산할 수 있어야 한다면, 필요한 것은 마그네트론에 전달되는 전력 Pd가 단지 다음과 같이 되는 것이다:

Pd = Pn·r

여기에서 Pn은 마그네트론의 정격소비전력이다.

가정용 마그네트론을 사용할 때, 그 정격소비전력은 대략 800 와트이며, 480 와트의 허용되는 반사 전력을 가지게 될 것이고, 따라서 100W의 전력이 필요한 살균을 위해 플라즈마를 생성하는 것을 보장할 수 있을 것이다.

따라서 이러한 상황에서 마그네트론의 온도 상승은 매우 낮고, 그 결과 주파수 안정도가 우수해져서 마그네트론에 전달되는 전력이 정격소비전력의 1/10 내지 1/4이 될 때 플라즈마를 생성할 수 있게 된다.

비제한적인 예로서 본 발명의 실시예가 아래에 첨부된 도면을 참고로 기술되어 있다:

도 1은 본 발명의 장치에 대한 개략도.

도 2는 공급 수단 내의 커패시터의 전기용량값에 대한 마그네트론에 전달된 전력의 변화를 나타내는 곡선도.

도 3은 도 1에 도시된 유형의 장치에서 마그네트론의 단자에서의 시간에 대한 전압의 변화를 나타내는 곡선도.

도 4는 본 발명의 변형 실시예의 개략도.

도 1은 가스 플라즈마를 생성하는데 필요한 에너지를 마그네트론에 공급할 수 있는 공급 장치를 보여주고 있다. 이러한 가스 플라즈마는 특히 배출후 가스를 통해 살균 기능을 보장하기 위한 것이다.

공급은 약 10배의 배율을 갖는 전압 스텝-업 공급 변압기(1)로 이루어지며, 따라서 220V의 피크-투-피크 공급 전압으로, 2차 권선에서의 피크-투-피크 전압은 2200V가 된다. 커패시터(C)와 다이오드(D)가 2차 회로(1b)에 직렬로 배열되어 있고, 다이오드의 단자(A, B) 사이에 마그네트론(7)이 연결되어 있다. 이 마그네트론은 도파관(8)에 의해 공동 공진기(9)에 결합되어 있다.

다이오드(D)와 커패시터(C)가 전압 더블러(doubler)를 형성함으로써 변압기(1)의 출력 전압이 두 배로 될 수 있는데, 이것은 커패시터(C)가 양의 교번(交番)시에 충전된 후 교번이 음으로 되면 커패시터의 전압이 전압값에 더해지기 때문이다.

커패시터(C)의 값에 대하여 마그네트론(7)의 공급 회로에 의해 공급되는 전력(P)의 변화를 나타내는 곡선이 그려진다. 따라서, 도 2에서 전력(P)이 커패시터의 값에 따라 감소하는 것을 알 수 있다. 가정용 전자렌지 오븐에 공급하기 위해 사용되는 값인 0.9㎌의 커패시터의 경우, 전달된 전력은 대략 900W이고, 한편 커패시터(C)의 값이 0.1㎌로 감소되면, 전력은 100W로 떨어지며, 이는 배출후 가스를 이용하여 살균을 위해 가스 플라즈마를 생성하는 특정 영역에서 사용되는 전력에 대응하는 값이다. 이것은 매우 중요한 것인데, 전력이 완전히 반사되는 경우에도 그 값은 허용되는 리턴 전력의 값 이하로 될 것이기 때문이며, 800W의 전력을 갖는 마그네트론에 대한 값은 480W이다.

따라서, 커패시터와 같이 간단하면서 값이 싼 소자로 교체하는 간단한 교체작업을 통해서, 싸고 상업적으로 이용할 수 있는 공급으로 전환시킴으로써 특히 의료 및 산업 분야에서 집중적으로 사용하기 위한 마그네트론을 신뢰성있게 그리고 효율적으로 공급하는 것이 보장된다.

또한, 마그네트론 공급부의 단자(A, B)에서의 전압의 변화를 나타내는 곡선이 도 3에 도시되어 있다. 교번이 시작되는 부분에서 피크 전압이 잘 유지됨으로써 마그네트론에 적당한 시동 부하를 제공할 수 있다는 것을 알 수 있다.

본 발명에 따르면 도 4에 도시된 것처럼, 이중 교번 공급을 마그네트론에 제공할 수도 있다. 이 조립체에서, 직렬로 되어 있는 두 개의 다이오드, 즉 제1 다이오드의 출력이 제2 다이오드의 입력에 연결되는 제1 다이오드(D1) 및 제2 다이오드(D2)와, 두 개의 커패시터(C1, C2)를 포함하는 루프가 제공된다. 변압기(1)의 출력 단자(E)는 두 커패시터(C1, C2) 사이에 연결되고, 다른 출력 단자(F)는 저항(R)을 통해 다이오드(D2)의 입력에 연결된다. 마그네트론은 제1 다이오드(D1)의 입력 단자(A')와 제2 다이오드(D2)의 출력 단자(B') 사이에서 공급된다. 상기 조립체는 두 전압 더블러를 쌓아서, 단자(A', B') 사이에서 전달되는 전압이 커패시터(C1, C2)의 단자에서의 전압의 합이 된다. 양의 교번이 진행되는 동안 커패시터(C1)는 다이오드(D1)를 통해 충전된다. 교번이 음이되면, 커패시터(C2)는 다이오드(D2)를 통해 충전된다.

Claims

정해진 정격소비전력(Pn)의 마이크로파 소스에 의해 가스를 이온화시킴으로써 가스 플라즈마를 생성하고, 공급 회로로부터 전기 에너지를 수용하는 마그네트론(7)을 포함하는 가스 플라즈마 생성 장치에 있어서,

공급 회로에 의해 마그네트론(7)에 전달되는 전력(Pd)은 마그네트론(7)의 정격소비전력(Pn)의 1/4에 지나지 않는 것을 특징으로 하는 가스 플라즈마 생성 장치.
제1항에 있어서,

상기 공급 회로에 의해 마그네트론(7)에 전달되는 전력(Pd)은 마그네트론의 정격소비전력(Pn)의 1/10 내지 1/4인 것을 특징으로 하는 가스 플라즈마 생성 장치.
제1항에 있어서,

상기 공급 회로에 의해 마그네트론에 전달되는 전력(Pd)은 마그네트론의 정격소비전력(Pn)에 반사 계수(r)를 곱한 값의 1/4에 지나지 않는 것을 특징으로 하는 가스 플라즈마 생성 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 가스 플라즈마 생성 장치는 마그네트론에 전달되는 전력(Pd)을 제한할 수 있는 수단을 포함하고, 이 수단의 온도는 80℃를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 가스 플라즈마 생성 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

마그네트론 공급 수단은 전압 더블러 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 플라즈마 생성 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 전압 더블러 수단은 공급 변압기(1)의 단자에 직렬로 배열된 다이오드(D)와 커패시터(C)로 구성되어 있고, 상기 마그네트론(7)은 다이오드(D)의 단자에서 제공되는 것을 특징으로 하는 가스 플라즈마 생성 장치.
제6항에 있어서,

상기 커패시터(C)의 값은 0.1㎌에 가까운 것을 특징으로 하는 가스 플라즈마 생성 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 전압 더블러 수단은 직렬로 배열된 두 다이오드인 제1 다이오드(D1)와 제2 다이오드(D2) 및 두 개의 커패시터(C1, C2)로 형성된 루프로 구성되어 있고, 상기 제1 다이오드의 출력은 상기 제2 다이오드의 입력에 연결되며, 변압기(1)의 한쪽 출력 단자(E)는 두 커패시터(C1, C2) 사이에 연결되고, 변압기의 다른 출력 단자(F)는 저항(R)을 거쳐서 제2 다이오드(D2)의 입력에 연결되고, 마그네트론(7)은 제1 다이오드(D1)의 입력 단자(A')와 제2 다이오드(D2)의 출력 단자(B') 사이에 제공되는 것을 특징으로 하는 가스 플라즈마 생성 장치.