WO2022265007A1 - 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

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 Download PDF

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WO2022265007A1
WO2022265007A1 PCT/JP2022/023785 JP2022023785W WO2022265007A1 WO 2022265007 A1 WO2022265007 A1 WO 2022265007A1 JP 2022023785 W JP2022023785 W JP 2022023785W WO 2022265007 A1 WO2022265007 A1 WO 2022265007A1
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plasma
electrode
plasma generation
generation unit
electrodes
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PCT/JP2022/023785
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英孝 宮▲崎▼
晃俊 沖野
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日本未来科学研究所合同会社
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L9/00—Disinfection, sterilisation or deodorisation of air
    • A61L9/16—Disinfection, sterilisation or deodorisation of air using physical phenomena
    • A61L9/18—Radiation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma

Definitions

  • the present invention relates to a plasma generation unit, a plasma generator and a sterilization system.
  • Patent Literature 1 relates to an air cleaning device using plasma, and states, "In a housing provided with an air inlet and an outlet for plasma treatment, the air flow is made into a turbulent state and a dielectric barrier discharge narrow gap plasma is generated. A large number of electrodes are arranged in a matrix (matrix), and the plasma generated by the electrodes and the air containing viruses, pathogens, mycotoxins, etc. are efficiently contacted and mixed” (abstract). doing.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned and other problems, and takes in a fluid such as ambient air, and highly efficiently performs a sterilization treatment on the taken-in fluid based on the generation of atmospheric pressure low temperature plasma.
  • An object of the present invention is to provide a plasma generation unit, a plasma generator, and a sterilization system that enable
  • one aspect of the present invention provides a first electrode formed by forming a plate-shaped conductive material into a cylindrical shape, and a plate-shaped conductive material formed into a cylindrical shape.
  • a second electrode arranged to surround the outer periphery of the first electrode with a predetermined gap; and a cylindrical dielectric arranged to be interposed between the first electrode and the second electrode. and a body layer, and applying a predetermined AC voltage between the first and second electrodes of the plasma generating part to generate the first and second electrodes of each of the plasma generating parts a plasma generation unit for generating an atmospheric pressure low temperature plasma through the dielectric layer during
  • a first plasma generation unit and a second plasma generation unit having configurations equivalent to those of the plasma generation unit are provided, and the first plasma generation unit and the second plasma generation unit are concentrically arranged in the
  • the first electrode of the second plasma generation section is arranged to maintain a predetermined gap from the second electrode of the first plasma generation section, and the first and second plasma generation sections of the first and second plasma generation sections are Also a plasma generation unit for generating atmospheric pressure low temperature plasma between the first and second electrodes of each of the plasma generating units through the dielectric layer by applying a predetermined alternating voltage between the second electrodes.
  • the first electrode is formed of a punching metal plate obtained by providing a plurality of pores in a metal plate
  • the second electrode is formed of a metal mesh material formed by braiding fine metal wires.
  • a dielectric layer made of a dielectric material may be formed between the electrodes.
  • a plasma generation unit and a plasma power supply section configured to apply a predetermined AC voltage between the first and second electrodes of each of the plasma generation sections provided in the plasma generation unit.
  • Plasma generators are also within the scope of the present invention.
  • a sterilization system includes the plasma generator, a blower unit arranged to face a gap in the plasma generating section of the plasma generator, and the gap and the blower unit. and an ozonolysis filter placed between the
  • a plasma generation unit comprises a first electrode formed by forming a flat plate-shaped conductive material into a cylindrical shape, and a flat plate-shaped conductive material formed into a cylindrical shape, and the first electrode and a cylindrical dielectric layer interposed between the first electrode and the second electrode. and a communication path that connects a gap between the first and second electrodes with a space inside the first electrode and a space outside the second electrode, wherein the plasma Atmospheric pressure low temperature plasma is generated between the first and second electrodes of each plasma generation unit through the dielectric layer by applying a predetermined AC voltage between the first and second electrodes of the generation unit.
  • the fluid introduced from the space outside the second electrode to the gap between the first and second electrodes through the communication path is treated with atmospheric pressure low temperature plasma to generate a multi-plasma gas and to generate multi-plasma gas.
  • a multi-plasma gas is caused to flow into the cylindrical space inside the first electrode through the communicating passage.
  • a plasma generation unit and a plasma power supply section configured to apply a predetermined AC voltage between the first and second electrodes of each of the plasma generation sections provided in the plasma generation unit. Also within the scope of the present invention is a plasma generator.
  • a fluid stirring means may be provided in the space inside the first electrode of the plasma generation unit.
  • a plasma generation unit a plasma generator, and a plasma generation unit that can take in a fluid such as ambient air and perform highly efficient sterilization treatment on the taken fluid based on the generation of atmospheric pressure low-temperature plasma.
  • a sterilization system is provided.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing a configuration example of a plasma generation unit according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the main parts of the plasma generation unit of FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of main parts showing a modification of the plasma generation unit of FIG.
  • FIG. 4 is a diagram showing a circuit configuration example of a plasma generator using the plasma generation unit of FIG.
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of a sterilization system using the plasma generation unit of this embodiment.
  • 6 is a diagram showing a configuration example of a control circuit included in the sterilization system of FIG. 5.
  • FIG. FIG. 7 is a diagram showing a configuration example of a desktop air cleaner using the sterilization system of FIG.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing a configuration example of a plasma generation unit according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the main parts of the plasma generation unit of FIG.
  • FIG. 8 is an exploded perspective view showing a configuration example of a pipe-shaped plasma generation unit according to another embodiment of the present invention.
  • 9 is a cross-sectional view of the pipe-shaped plasma generation unit of FIG. 8.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing a state in which the pipe-shaped plasma generation unit of FIG. 8 is mounted on a pipe.
  • FIG. 1 and 2 show an example of a plasma generation unit 10 according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a plasma generation unit 10 according to this embodiment
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of main parts of the plasma generation unit 10.
  • FIG. 2 shows the structure shown in FIG. 1 with the exterior body 19 removed (the same applies to FIG. 3 according to the modification).
  • the plasma generation unit 10 of this embodiment is formed by concentrically combining a plurality of cylindrical members. These cylindrical members are the first electrode 16a, the dielectric layer 14, the second electrode 16b, and the exterior body 19 from the inside.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a plasma generation unit 10 according to this embodiment
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of main parts of the plasma generation unit 10.
  • FIG. 2 shows the structure shown in FIG. 1 with the exterior body 19 removed (the same applies to FIG. 3 according to the modification).
  • the plasma generation unit 10 of this embodiment is formed by concentrically combining a plurality
  • these cylindrical members are illustrated in a state in which they are displaced from each other in the axial direction for easy viewing, but as the plasma generation unit 10, cylindrical members of the same length are arranged concentrically. , resulting in a cylindrical device as a whole. Since the cylindrical dielectric layer 14 is provided between the first electrode 16a and the second electrode 16b so as to be in contact with the second electrode 16b, an AC voltage is applied between the first electrode 16a and the second electrode 16b. Dielectric barrier discharge can be induced by applying . Plasma is generated in the gap between the first electrode 16a and the dielectric layer 14 by this dielectric barrier discharge. This gap is hereinafter referred to as "plasma generation layer P".
  • the plasma generation unit 10 of the present embodiment can also be configured to have a cross-sectional shape other than circular.
  • the first electrode 16a is one electrode for plasma generation, and is configured as a cylindrical punching metal tube with a thickness of 0.5 to 1 mm in this embodiment.
  • a conductive metal plate such as a stainless steel plate is preferably used as the material of the first electrode 16a.
  • the holes provided in the punching metal plate have a diameter of, for example, 1 mm and can be provided at intervals of about 5 mm, but are not particularly limited to this. As will be described later, the dimensions are such that the plasma gas containing various active species generated between the first electrode 16a and the second electrode 16b is efficiently introduced into the perforated metal tube through the pores. It should be placed.
  • a mesh-like metal material for example, a metal mesh material obtained by braiding stainless steel fine wires can be used.
  • a glass tube forming the dielectric layer 14 is arranged inside the metal mesh material as the second electrode 16b.
  • the dielectric layer 14 has a thickness of about 2 mm, and the plasma generation layer P is formed by providing a gap of about 2 mm between the dielectric layer 14 and the first electrode 16a.
  • the cylindrical plasma generation unit 10 illustrated in FIGS. 1 and 2 can be set to have an axial length of about 50 mm and a diameter of the second electrode 16b of about 45 mm. Such dimensions are taken into consideration for application to a desktop-type sterilization system, which will be described later, and the dimensions of the plasma generation unit 10 are not particularly restricted by this.
  • FIG. 3 exemplifies a cross-sectional view of main parts of the plasma generation unit 10 according to the modification.
  • the plasma generation unit 10 illustrated in FIG. 3 has a cylindrical shape as a whole similar to that in FIGS. The difference is that another set of similar combinations is provided outside the combination.
  • the first electrode 16a, the dielectric layer 14, and the second electrode 16b of the second group are provided outside the second electrode 16b belonging to the first group with the gap 17 therebetween. It is The gap 17 also serves as an electrical insulating layer between the second electrode 16b of the first set and the first electrode 16a of the second set.
  • a second plasma generation layer P is arranged in the gap between the first electrode 16a of the second set and the dielectric layer 14 .
  • the second set of first electrode 16a, dielectric layer 14, and second electrode 16b are configured similarly to the first set of first electrode 16a, dielectric layer 14, and second electrode 16b, respectively. Therefore, the multi-plasma gas containing various active species generated between the second set of first electrode 16a and second electrode 16b is efficiently directed to the gap 17 through the pores of the first electrode 16a, which is a punching metal tube. be introduced systematically.
  • atmospheric pressure low temperature plasma is generated in the plasma generation layer P between the first electrode 16a and the second electrode 16b.
  • a discharge is generated and acts on the air and water vapor in the plasma generation layer P to generate, as is known, singlet oxygen ( 1 O 2 ), ozone (O 3 ), hydroxyl radical (OH), superoxide anion radical Reactive oxygen species are generated including various radicals such as (O 2 ⁇ ), hydroperoxy radical (HO 2 ), hydrogen peroxide (H 2 O 2 ).
  • the air passing through each plasma generating layer P of the plasma generating unit 10 flows while being in contact with the plasma discharge generated in each plasma generating layer P in a continuous planar manner.
  • Microorganisms such as viruses and bacteria contained in the ambient air sucked into each plasma generation layer P are destroyed in a very short time on the order of microseconds by coming into contact with the plasma discharge in the plasma generation layer P.
  • Inactivation of viruses and sterilization of microorganisms are performed by being mixed with the multi-plasma gas containing the reactive oxygen species.
  • the surrounding air to be sterilized can be sterilized. It is possible to increase the flow rate of , and it is possible to flexibly cope with the required sterilization amount according to the spatial volume of the object to be sterilized.
  • FIG. 4 shows a configuration example of a plasma generation circuit applied to the plasma generation unit 10 according to the modified example of this embodiment illustrated in FIG. For simplification of illustration, FIG. 4 shows a part of the plasma generation unit 10 of FIG.
  • the plasma generation circuit includes a plasma power supply unit 20 having a booster unit 24 connected to each electrode pair consisting of a first electrode 16a and a second electrode 16b, and an inverter 22 for supplying alternating current to the booster unit 24.
  • a general neon transformer used for lighting a neon tube can be adopted as the plasma power supply unit 20 .
  • the configuration of this plasma generation circuit is the same for the plasma generation unit 10 of FIG.
  • the inverter 22 of the plasma power supply unit 20 receives DC 12V from an external power supply.
  • the inverter 22 outputs an AC voltage controlled according to the input DC voltage and supplies the voltage to the booster 24 .
  • the control method, the type of switching element, and the like may be appropriately selected.
  • the function of the inverter 22 is to output an AC voltage corresponding to the input DC voltage.
  • the output voltage is controlled by parameters such as the distance between the electrodes, the material of the electrodes, the planar dimension, and the thickness. Note that the AC frequency may be appropriately determined.
  • the plasma generation unit 10 uses a dielectric barrier discharge, but if the voltage between the electrodes is low, the discharge will not occur. This leads to a decrease in seed generation efficiency and electrode breakage due to the concentration of discharge at a specific location.
  • stable barrier discharge is maintained by controlling the AC voltage applied between the electrodes. Also, by controlling the AC voltage applied between the electrodes, it is configured to efficiently generate multi-plasma gas containing active oxygen species while suppressing generation of harmful ozone (O 3 ).
  • the plasma generation unit 10 By applying a predetermined AC voltage between the first electrode 16a and the second electrode 16b of the plasma generation unit 10, a dielectric barrier discharge is generated between them via the dielectric layer 14, and the first electrode
  • the air and water vapor present in the plasma generation layer P between 16a and dielectric layer 14 are plasmatized to generate various active species as exemplified above.
  • the multi-plasma gas containing the generated active species flows into the cylindrical space A and the gap 17 inside the first electrode 16a through the pores provided in the first electrode 16a.
  • FIG. 5 shows a configuration example of a sterilization system 100 using the plasma generation unit 10 of this embodiment.
  • the sterilization system 100 of FIG. 5 is configured by arranging a cylindrical plasma generation unit 10, an ozone decomposition filter 130, an ozone sensor 140, and an electric fan 150 coaxially.
  • FIG. 5 shows these components simply arranged along the flow path of the ambient air, but these components can be housed in, for example, a cylindrical housing to provide a sterilization system 100. can be realized.
  • the ozone decomposition filter 130 disposed downstream of the plasma generation unit 10 removes ozone (O 3 ), which is harmful to the human body and has a unique odor among various active species generated by the plasma of the plasma generation unit 10, into the system. It is provided for the purpose of preventing outflow to the outside of 100 .
  • ozone decomposition filter 130 a general-purpose ozone decomposition filter used in copiers or the like can be appropriately selected and employed.
  • the shape and size of the ozone decomposition filter 130 may also be determined according to the specifications of the sterilization system 100 to be applied.
  • An ozone decomposition filter 130 may also be provided on the upstream side of the plasma generation unit 10 so that ozone flows back through the flow path from the plasma generation unit 10 to prevent ozone from escaping to the outside.
  • the ozone sensor 140 is a sensor device that measures the concentration of ozone contained in the exhaust downstream of the ozone decomposition filter 130 in the rear stage of the plasma generation unit 10 .
  • a highly sensitive semiconductor gas sensor can be preferably used. Recommendation (FY 2020)" Journal of Occupational Hygiene, 2020; 62(5): 198-230).
  • the electric fan 150 functions as an exhaust fan for the sterilization system 100.
  • the ambient air introduced into the cylindrical space inside the first electrode 16a is mixed with the multi-plasma gas containing active species, sterilized, and discharged into the ambient space by the electric fan 150.
  • active species contained in the multi-plasma gas are also released into the surrounding space, exhibiting a further sterilizing effect.
  • FIG. 6 shows a configuration example of a control circuit in the sterilization system 100 of FIG.
  • the control circuit includes a DC power supply section 60, a plasma power supply section 20, a control section 70, and an input/output section 80.
  • the control circuit includes a DC power supply section 60, a plasma power supply section 20, a control section 70, and an input/output section 80.
  • a 100 V AC, 50/60 Hz commercial power supply is supplied to the sterilization system 100 .
  • the DC power supply section 60 generates 24 V DC and 5 V DC, which are power supplies for the control circuit, and 12 V DC, which is the operating power supply for the plasma generation unit 10 .
  • the control unit 70 is a functional unit that manages operation control of the entire sterilization system 100, and can be configured using a microprocessor module, for example.
  • the input/output unit 80 can include input devices such as operation buttons and touch pads, and output devices such as LED lamps and liquid crystal displays.
  • control unit 70 ⁇ ON/OFF control of the plasma power supply unit 20 based on the input signal from the input/output unit 80 ⁇ ON/OFF control of the plasma power supply unit 20 based on the concentration signal from the ozone sensor 140 ⁇ Output voltage control of the plasma power supply unit 20 based on detection of the plasma current value
  • the atmospheric pressure low-temperature plasma generated by the plasma generation unit 10 can efficiently sterilize the surrounding air. Moreover, since the output voltage of the plasma power supply unit 20 is controlled according to the state of the generated plasma, it is possible to continuously generate stable atmospheric pressure low temperature plasma.
  • FIG. 7 illustrates a desktop air purifier 1 using the sterilization system 100 whose configuration example is shown in FIG.
  • the desktop air purifying device 1 is formed in a cylindrical shape as a whole, and the sterilization system 100 including the plasma generation unit 10 is in the upper half, and the plasma power supply unit 20, the DC power supply unit 60, and the control unit 70 are in the lower half. is housed.
  • the plasma generation unit 10 of the sterilization system 100 is placed on a partition plate 160 that partitions the inside of the cylindrical housing.
  • the partition plate 160 is provided with an opening at a portion corresponding to the cylindrical space A and the gap 17 inside the first electrode 16 a of the plasma generation unit 10 .
  • a slit-shaped intake port IN is provided in the outer plate of the housing along the circumferential direction at the middle part in the height direction of the desktop air cleaning device 1, and a cylindrical space inside the first electrode 16a of the plasma generation unit 10 is formed. A, communicating with the gap 17;
  • an opening OUT is provided on the upper surface of the housing corresponding to the electric fan 150 at the upper end of the sterilization system 100, and serves as a flow path for exhaust air from the electric fan 150.
  • this opening OUT is formed as a radial slit provided in the top plate of the desktop air purifier 1, but it is not limited to this.
  • the plasma power supply unit 20, the DC power supply unit 60, and the control unit 70 have substantially the same configurations and functions as the sterilization system 100 of the first embodiment.
  • a commercial power supply of AC 100 V, 50/60 Hz is supplied to the DC power supply unit 60 through the power cord 40 .
  • the AC voltage applied between the first electrode 16a and the second electrode 16b by the plasma power source 20 may be determined according to the plasma generation unit 10 having the configuration of this embodiment.
  • the control of the AC voltage according to the properties of the generated plasma may also be customized according to the plasma generation unit 10 of this embodiment.
  • An operation display panel corresponding to the input/output unit 80 of the first embodiment is provided at an appropriate location on the lower half of the peripheral surface of the desktop air cleaner 1 .
  • the operation display panel is provided with a power on/off switch for plasma generation and a power lamp.
  • the operation display panel is not limited to this, and an operation display section such as a liquid crystal display section and a timer setting section may be provided.
  • the desktop air cleaner 1 when the power is turned on, an AC voltage is applied between the first electrode 16a and the second electrode 16b of the plasma generation unit 10 from the plasma power supply unit 20, and the plasma generation layer P A plasma is generated by a dielectric barrier discharge.
  • a multi-plasma gas containing various active species generated by plasma is introduced into the inner cylindrical space A through the pores provided in the first electrode 16a, as shown in FIG.
  • ambient air is introduced into the housing of the tabletop air cleaning device 1 from the intake port IN on the peripheral surface of the tabletop air cleaning device 1, reaches the space inside the first electrode 16a, and multiplies the air. mixed with the plasma gas.
  • Ambient air is thereby sterilized in the cylindrical space A inside the first electrode 16a and discharged as clean air to the surrounding space by the electric fan 150 via the ozone decomposition filter 130 .
  • part of the multi-plasma gas is also discharged to the surrounding space by the electric fan 150 together with the active species, and has the effect of sterilizing the surrounding air.
  • the sterilization system 100 of the present embodiment efficiently generates atmospheric pressure low temperature plasma by the dielectric barrier discharge that is continuously generated planarly between the first electrode 16a and the second electrode 16b concentrically opposed to each other. can be continuously generated.
  • Plasma gas is introduced from the plasma generation layer P into the cylindrical space A or into the gap 17 through the pores of the first electrode 16a.
  • the desktop air purifier 1 using the sterilization system 100 brings ambient air into contact with the plasma in the plasma generation layer P and mixes it with the multi-plasma gas in the cylindrical space A to achieve efficient sterilization. be able to.
  • two sets of the first electrode 16a, the dielectric layer 14, and the second electrode 16b are provided concentrically (in a nested manner). good too.
  • the plasma generation unit 10 used in the tabletop air cleaning device 1 may also be provided with two or more sets of the first electrode 16a, the dielectric layer 14, and the second electrode 16b.
  • Embodiment 2 Next, a sterilization system 100 according to a second embodiment of the invention will be described.
  • This sterilization system 100 has a configuration similar to that of the cylindrical sterilization system 100 of Embodiment 1, but differs from Embodiment 1 in that it is formed in a longer pipe shape.
  • the electrode configuration for plasma generation is also different from that of the first embodiment.
  • plasma pipe the differences and features of the sterilization system of this embodiment (hereinafter referred to as "plasma pipe" for simplicity) will be described below.
  • symbol is attached
  • FIG. 8 shows a partially exploded perspective view of the plasma pipe 100 of this embodiment
  • FIG. 9 shows its cross-sectional view.
  • the plasma pipe 100 has a function of sterilizing the fluid flowing in the flow path with atmospheric pressure low temperature plasma by providing it in the middle of the flow path of various fluids.
  • the plasma pipe 100 is formed in a long pipe shape, and the first electrode 16a, the dielectric layer 14, the second electrode 16b, and the exterior body 19, which are pipe-shaped elements, are arranged inside. are concentrically arranged from
  • the first electrode 16a and the second electrode 16b are each made of an aluminum plate or a stainless steel plate with a thickness of about 1 mm and formed in a pipe shape. is provided.
  • the dielectric layer 14 can be formed by selecting an appropriate material in consideration of workability and a required dielectric constant, for example, a glass layer.
  • the inner peripheral surface of the dielectric layer 14 and the outer peripheral surface of the first electrode 16a face each other, and a gap of about 3 mm is defined as a plasma generating layer P between them.
  • ultrasonic oscillators SS are installed at positions facing each other in the radial direction of the plasma pipe 100 .
  • this ultrasonic oscillator SS employs a vibrator made of thin piezoelectric ceramics in this embodiment, there is no particular limitation on the form of the vibrator.
  • Ultrasonic waves are radiated into the plasma generation layer P by applying a high-frequency AC voltage to the ultrasonic oscillator SS. This radiated ultrasonic wave has the effect of accelerating the active oxygen species generation process in the plasma generation layer P by plasma.
  • the AC voltage to be supplied to the ultrasonic oscillator element SS is set to an appropriate frequency for the ultrasonic oscillator element SS by providing a voltage supply control circuit to the ultrasonic oscillator element SS in the controller 70 shown in FIG. 6 of Embodiment 1, for example.
  • a voltage supply control circuit to the ultrasonic oscillator element SS in the controller 70 shown in FIG. 6 of Embodiment 1, for example.
  • the amplitude and frequency of the AC voltage may be set according to the plasma generation specifications of the plasma pipe 100 . Note that the installation position of the ultrasonic oscillator SS can be changed without being limited to the above configuration example.
  • an exterior body 19 is provided at an appropriate interval to form the outer periphery of the plasma pipe 100.
  • a circulator CR which is fluid agitation means, is installed for exerting an agitation action on the inner space of the first electrode 16a.
  • the circulator CR is in the form of a cylindrical member extending along the axis of the plasma pipe 100, and is provided therein with rotating blades for the stirring action and a driving mechanism for rotationally driving the blades. (not shown).
  • the configuration of the circulator CR is not limited to a specific configuration as long as it exhibits the function of agitating the fluid in the cylindrical space A surrounded by the first electrodes 16a.
  • an elongated hollow duct D is provided so as to penetrate the second electrode 16b, the dielectric layer 14, and the first electrode 16a.
  • a duct D which is a communication path, is formed of a member such as a thin stainless steel tube, and is located between the annular space R between the second electrode 16b and the exterior body 19 and the plasma generation layer P, and between the plasma generation layer P and the cylindrical space A. are communicated with each other.
  • FIGS. 8 and 9 an appropriate number of ducts D can be provided at appropriate intervals along the axial direction of the plasma pipe 100 in practice.
  • the duct D functions as a flow path for causing the fluid in the annular space R to flow into the plasma generation layer P, be processed by plasma, and further flow into the cylindrical space A together with various active oxygen species generated as a result.
  • Cylindrical space A serves as a flow path for the fluid to be treated introduced from the outside of plasma pipe 100 .
  • the fluid to be treated flowing in the cylindrical space A is subjected to plasma treatment in the plasma generation layer P through the duct D, and the plasma-treated fluid containing various active oxygen species is introduced.
  • the fluid to be treated and the fluid containing active oxygen species from the duct D are stirred and mixed by the circulator CR, and the fluid to be treated is sterilized by the active oxygen species.
  • the plasma power source section 20 described with reference to FIG. Plasma is generated by dielectric barrier discharge in the plasma generation layer P formed between the first electrode 16a and the second electrode 16b, which are cylindrical members formed with the dielectric layer 14 interposed therebetween.
  • the AC voltage applied between the first electrode 16a and the second electrode 16b by the plasma power supply unit 20 is controlled by the configuration of the control unit 70 described with regard to the first embodiment so that plasma generation is performed stably.
  • the fluid (eg, air) in the annular space R is introduced into the plasma generation layer P through the duct D.
  • the introduced fluid comes into contact with the plasma in the plasma generation layer P and becomes multi-plasma gas containing gas-phase active oxygen species.
  • the multi-plasma gas generated in this plasma generation layer P is further introduced into the inner cylindrical space A through a duct D.
  • the outside air taken into the plasma pipe 100 of the present embodiment is guided into the cylindrical space A and flows, and when passing through the cylindrical space A, the multi-plasma gas containing active oxygen species from the plasma generation layer P and Mixed and sterilized.
  • the circulator CR accelerates the mixing of the introduced outside air and the multi-plasma gas in the cylindrical space A by agitation, thereby accelerating the sterilization process.
  • the introduced outside air comes into direct contact with the plasma in the plasma generation layer P and is mixed with the multi-plasma gas in the cylindrical space A. can be sterilized.
  • FIG. 10 schematically shows a state in which a plasma pipe 100, which is a sterilization system according to this embodiment, is installed in the middle of a pipeline that constitutes a fluid flow path.
  • the plasma pipe 100 is provided with a plasma power supply unit, a control unit, a power supply unit for driving the circulator CR, and the like as described in the previous embodiment. As shown in FIG.
  • the atmospheric pressure low-temperature plasma continuously generated in the plasma generation layer P and the multi-layer plasma generated continuously in the plasma generation layer P are generated for various fluids flowing in the flow path.
  • Contact with the plasma gas enables continuous and efficient sterilization.
  • FIG. 10 when liquid is introduced into the plasma pipe 100, the liquid to be treated is introduced into the cylindrical space A and not into the plasma generation layer P.
  • Outside air is first introduced into the annular space R, enters the plasma generation layer P through the duct D, and is plasma-processed into multi-plasma gas containing active oxygen species. This multi-plasma gas is further introduced into the liquid in the cylindrical space A through the duct D, where it is mixed with the liquid to be treated for sterilization.
  • the material of the exterior body 19 may be determined according to the form of the flow path in which the plasma pipe 100 is installed and the type and properties of the fluid flowing through the flow path.
  • a vinyl chloride pipe can be suitably used
  • a metal pipe such as a stainless steel pipe can be suitably used.
  • the fluid flowing through the flow channel is brought into continuous contact with the plasma or the multi-plasma gas containing active oxygen species, so that the fluid can be efficiently sterilization treatment is possible.
  • Plasma generation unit Dielectric layer 16a First electrode 16b Second electrode 19 Exterior body 20
  • Plasma power supply unit Inverter 24
  • Boosting unit 100
  • Plasma generator 130 Ozone decomposition filter 140
  • Ozone sensor 150
  • Electric fan 60
  • Control unit 80
  • Input/output unit 100 Sterilization system
  • P Plasma generation layer R Annular space A Cylindrical space D Duct CR Circulator SS Ultrasonic oscillator

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Abstract

周囲空気等の流体を取り込んで、取り込んだ流体に対して大気圧低温プラズマの生成に基づく殺菌処理を高効率で実施することを可能とする。　平板状の導電材料を筒状に形成してなる第１電極と、平板状の導電材料を筒状に形成してなり、前記第１電極の外周を所定の間隙をおいて取り囲むように配置されている第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に介在するように配置された筒状の誘電体層とが設けられてなるプラズマ生成部を備え、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電極の間に前記誘電体層を介して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。

Description

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
　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。
特開２０２０－１７１７７７号公報
　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、周囲空気等の流体を取り込んで、取り込んだ流体に対して大気圧低温プラズマの生成に基づく殺菌処理を高効率で実施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、平板状の導電材料を筒状に形成してなる第１電極と、平板状の導電材料を筒状に形成してなり、前記第１電極の外周を所定の間隙をおいて取り囲むように配置されている第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に介在するように配置された筒状の誘電体層とが設けられてなるプラズマ生成部を備え、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電極の間に前記誘電体層を介して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。
　前記プラズマ生成部とそれぞれ同等の構成を有する第１のプラズマ生成部と第２のプラズマ生成部とを備え、前記第１のプラズマ生成部と前記第２のプラズマ生成部とは同心状に、前記第２のプラズマ生成部の第１電極が前記第１のプラズマ生成部の第２電極から所定の間隙を保持するように配置されており、前記第１及び第２の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電極の間に前記誘電体層を介して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もまた本発明の一態様である
　前記第１電極は金属板に複数の細孔を設けてなるパンチングメタル板によって形成され、前記第２電極は金属細線を編組してなる金属メッシュ材によって形成され、前記第１電極と前記第２電極との間に、誘電体材料からなる誘電体層が形成されているものとすることができる。
　前記態様に係る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も本発明の範囲内である。
　また本発明の他の態様に係る殺菌システムは、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。
　本発明のさらに他の態様に係るプラズマ発生ユニットは、平板状の導電材料を筒状に形成してなる第１電極と、平板状の導電材料を筒状に形成してなり、前記第１電極の外周を所定の間隙をおいて取り囲むように配置されている第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に介在するように配置された筒状の誘電体層とが設けられてなるプラズマ生成部と、前記第１及び第２電極の間にある間隙と前記第１電極内方の空間及び前記第２電極外方の空間とを連通させる連通路とを備え、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電極の間に前記誘電体層を介して大気圧低温プラズマを生成させ、前記第２電極外方の空間から前記第１及び第２電極の間にある間隙へ前記連通路を通じて導入される流体を、大気圧低温プラズマにより処理してマルチプラズマガスを生成するとともに当該マルチプラズマガスを、前記連通路を通じて前記第１電極内方の円筒状空間に流入させる構成を有する。
　前記他の態様に係る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も本発明の範囲内にある。
　前記プラズマ発生装置において、前記プラズマ発生ユニットの第１電極内方空間に流体撹拌手段を備えてもよい。
　本発明によれば、周囲空気等の流体を取り込んで、取り込んだ流体に対して大気圧低温プラズマの生成に基づく殺菌処理を高効率で実施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が提供される。
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の構成例を示す分解斜視図である。 図２は、図１のプラズマ発生ユニットの主要部横断面図である。 図３は、図１のプラズマ発生ユニットの変形例を示す主要部横断面図である。 図４は、図３のプラズマ発生ユニットを用いたプラズマ発生装置の回路構成例を示す図である。 図５は、本実施形態のプラズマ発生ユニットを用いた殺菌システムの構成例を示す図である。 図６は、図５の殺菌システムが備える制御回路の構成例を示す図である。 図７は、図６の殺菌システムを用いた卓上空気清浄装置の構成例を示す図である。 図８は、本発明の他の実施形態によるパイプ形プラズマ発生ユニットの構成例を示す分解斜視図である。 図９は、図８のパイプ形プラズマ発生ユニットの横断面図である。 図１０は、図８のパイプ形プラズマ発生ユニットを配管に実装した状態を示す模式図である。
　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。
［実施形態１］
　図１、図２に、本発明の一実施形態に係るプラズマ発生ユニット１０の一例を示している。図１は本実施形態によるプラズマ発生ユニット１０の分解斜視図、図２はプラズマ発生ユニット１０の主要部横断面図である。図２においては図１に図示の構成から外装体１９を除いて示している（変形例に係る図３も同様）。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、複数の円筒状の部材を同心状に組み合わせて形成されている。これらの円筒状の部材は、内側から第１電極１６ａ、誘電体層１４、第２電極１６ｂ、外装体１９である。なお、図１では、これらの各円筒部材を見やすくするために軸方向に互いにずらした状態で図示しているが、プラズマ発生ユニット１０としては、同一長さの円筒部材が同心状に配置された、全体として円筒状の装置となる。第１電極１６ａと第２電極１６ｂとの間に第２電極１６ｂと接するように円筒状の誘電体層１４が設けられているため、第１電極１６ａと第２電極１６ｂとの間に交流電圧を印加することによって誘電体バリア放電を誘起させることができる。この誘電体バリア放電により、第１電極１６ａと誘電体層１４との間の間隙にプラズマが生成される。以下この間隙を「プラズマ生成層Ｐ」と呼ぶ。なお、本実施形態のプラズマ発生ユニット１０は、横断面形状が円形以外となるように構成することも可能である。
　第１電極１６ａはプラズマ生成用の一方の電極であり、本実施形態では０．５～１ｍｍ厚の円筒状パンチングメタル管として構成されている。第１電極１６ａの材質としては導電性の金属板、例えばステンレス板が好適に用いられる。パンチングメタル板に設けられる細孔は、例えば直径１ｍｍとされ、５ｍｍ程度の間隔で設けることができるが、特にこれに制約されるものではない。後述するように第１電極１６ａ、第２電極１６ｂの間に生成される、種々の活性種を含んだプラズマガスがパンチングメタル管の内方へ細孔を通じて効率的に導入されるような寸法と配置とすればよい。
　第２電極１６ｂはメッシュ状の金属材、例えばステンレス細線を編組してなる金属メッシュ材を用いることができる。図１に示すように、第２電極１６ｂとしての金属メッシュ材の内側には、誘電体層１４を構成するガラス管が配置されている。本実施形態では誘電体層１４の厚さは２ｍｍ程度とされ、誘電体層１４と第１電極１６ａとの間に２ｍｍ程度の間隙が設けられてプラズマ生成層Ｐを形成している。
　図１、図２に例示する円筒形のプラズマ発生ユニット１０は、一例として軸方向の長さが５０ｍｍ程度、第２電極１６ｂの直径が４５ｍｍ程度に設定することができる。このような形状寸法は、後述する卓上タイプの殺菌システムへの適用を考慮したものであり、特にこれによってプラズマ発生ユニット１０としての形状寸法が制約されるものではない。
　次に、本実施形態のプラズマ発生ユニット１０の変形例を説明する。図３は、変形例に係るプラズマ発生ユニット１０の主要部横断面図を例示している。図３に例示するプラズマ発生ユニット１０は、全体としての形状は図１，２と同様の円筒状であるが、図１，２における第１電極１６ａ、誘電体層１４、及び第２電極１６ｂの組み合わせの外方に同様の組み合わせをもう一組備えている点が異なっている。言い換えると、図３に示すように、第１の組に属する第２電極１６ｂの外方に間隙１７を隔てて２組目の第１電極１６ａ、誘電体層１４、及び第２電極１６ｂが設けられている。間隙１７は、１組目の第２電極１６ｂと２組目の第１電極１６ａと間で電気絶縁層としての役割も果たしている。
　２組目の第１電極１６ａと誘電体層１４の間隙に第２のプラズマ生成層Ｐが配置されている。２組目の第１電極１６ａ、誘電体層１４、及び第２電極１６ｂは、それぞれ第１の組の第１電極１６ａ、誘電体層１４、及び第２電極１６ｂと同様に構成されている。したがって、２組目の第１電極１６ａ、第２電極１６ｂの間に生成される、種々の活性種を含んだマルチプラズマガスは、パンチングメタル管である第１電極１６ａ細孔を通じて間隙１７へ効率的に導入される。
　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層Ｐにおいて大気圧低温プラズマ放電が発生し、プラズマ生成層Ｐ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の各プラズマ生成層Ｐを通過する空気は各プラズマ生成層Ｐ内で連続的に面状に広がって発生するプラズマ放電に接触しながら流れる。各プラズマ生成層Ｐ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、プラズマ生成層Ｐ内でプラズマ放電と接触することで、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。
　またプラズマ発生ユニット１０の第１電極１６ａ、誘電体層１４，及び第２電極１６ｂからなる基本構成単位を同心状に２以上設けて入れ子状の積層構成とすることにより、殺菌処理すべき周囲空気の流量を増大させることができ、殺菌処理対象の空間容積等に対応して所要の殺菌処理量に柔軟に対応することができる。
　図４に、図３に例示した本実施形態の変形例に係る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。図示を簡略化するため、図４には図３のプラズマ発生ユニット１０の一部を取り出して示している。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。このプラズマ発生回路の構成は、図１のプラズマ発生ユニット１０についても同様である。
　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では誘電体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。
　プラズマ発生ユニット１０の第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、両者の間に誘電体層１４を介して誘電体バリア放電が発生し、第１電極１６ａと誘電体層１４との間のプラズマ生成層Ｐ内に存在する空気、水蒸気がプラズマ化し、先に例示したような種々の活性種が生成される。生成された活性種を含むマルチプラズマガスは、第１電極１６ａに設けられている細孔を通じて第１電極１６ａの内側の円筒状空間Ａ及び間隙１７に流入する。
　次に、以上の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、本実施形態のプラズマ発生ユニット１０を用いた殺菌システム１００の構成例を示している。図５の殺菌システム１００は、円筒形のプラズマ発生ユニット１０、オゾン分解フィルター１３０、オゾンセンサ１４０、電動ファン１５０を同軸上に配置して構成されている。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の下流側に配置されるオゾン分解フィルター１３０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１３０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１３０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１３０を設けて、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してもよい。
　オゾンセンサ１４０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１３０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１４０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。
　電動ファン１５０は、殺菌システム１００の排気ファンとして機能する。
　図５の構成例では、電動ファン１５０を排気方向に動作させることで、周囲空気がプラズマ発生ユニット１０の底部から、各プラズマ生成層Ｐと、第１電極１６ａ内方の円筒状空間Ａ及び間隙１７に導入される（図３参照）。プラズマ生成層Ｐに導入された空気は生成されているプラズマに接触することで、マイクロ秒オーダーの短時間で殺菌される。また導入された周囲空気は円筒状空間Ａ及び間隙１７においてプラズマ生成層Ｐからのマルチプラズマガスと混合され、オゾン分解フィルター１３０を介して電動ファン１５０により外部へ放出される。この過程で、第１電極１６ａ内方の円筒状空間に導入された周囲空気は活性種を含んだマルチプラズマガスと混合されて殺菌処理がなされ、電動ファン１５０により周囲空間に放出される。この際、マルチプラズマガスに含まれる活性種も周囲空間に放出され、さらなる殺菌効果を発揮する。
　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１４０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により生成され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。
　図７に、図５に構成例を示した殺菌システム１００を用いた卓上空気清浄装置１を例示している。卓上空気清浄装置１は全体として円筒状に形成されており、その上半部にプラズマ発生ユニット１０を含む殺菌システム１００が、下半部にプラズマ電源部２０、ＤＣ電源部６０、及び制御部７０が収装されている。
　殺菌システム１００のプラズマ発生ユニット１０は円筒状筐体の内部を仕切る仕切り板１６０の上に載置されている。仕切り板１６０には、プラズマ発生ユニット１０の第１電極１６ａ内方の円筒状空間Ａ、間隙１７に対応する部分に開口部が設けられている。卓上空気清浄装置１の高さ方向の中間部には周方向に沿って筐体外板にスリット状の吸気口ＩＮが設けられ、内部においてプラズマ発生ユニット１０の第１電極１６ａ内方の円筒状空間Ａ、間隙１７に連通している。
　一方、殺菌システム１００の上端にある電動ファン１５０に対応して筐体上面に開口部ＯＵＴが設けられ、電動ファン１５０からの排気の流路となっている。図７の例では、この開口部ＯＵＴは卓上空気清浄装置１の上面板に設けられた放射状のスリットとして形成されているが、これに限定されるものではない。
　プラズマ電源部２０、ＤＣ電源部６０、制御部７０は、実質的に実施形態１の殺菌システム１００と同等の構成、機能を備えている。ＤＣ電源部６０には、電源コード４０により商用電源のＡＣ１００Ｖ、５０／６０Ｈｚが供給される。プラズマ電源部２０によって第１電極１６ａと第２電極１６ｂとの間に印加される交流電圧は、本実施形態の構成を有するプラズマ発生ユニット１０に対応して決定すればよい。発生するプラズマ性状に応じた交流電圧の制御も、本実施形態のプラズマ発生ユニット１０に合わせてカスタマイズしてもよい。
　卓上空気清浄装置１の周面下半部の適宜の箇所に、実施形態１の入出力部８０に相当する操作表示パネルが設けられている。本実施形態では、操作表示パネルにはプラズマ発生のための電源オンオフスイッチと電源ランプとが設けられている。操作表示パネルには、これに限られず、液晶表示部、タイマー設定部などの操作表示部を設けることもできる。
　以上の構成を有する卓上空気清浄装置１では、電源投入によりプラズマ電源部２０から交流電圧がプラズマ発生ユニット１０の第１電極１６ａと第２電極１６ｂとの間に印加されて、プラズマ生成層Ｐに誘電体バリア放電によるプラズマが生成される。プラズマにより生成された種々の活性種が含まれるマルチプラズマガスは、図２に示したように、第１電極１６ａに設けられている細孔を通じて内方の円筒状空間Ａに導入される。一方、電動ファン１５０の排気動作によって卓上空気清浄装置１の周面にある吸気口ＩＮから周囲空気が卓上空気清浄装置１の筐体内に導入され、第１電極１６ａ内方の空間に達してマルチプラズマガスと混合される。周囲空気はこれにより第１電極１６ａ内方の円筒状空間Ａにおいて殺菌処理されてオゾン分解フィルター１３０を介して電動ファン１５０によって周囲空間に清浄空気として排出される。同時にマルチプラズマガスの一部も活性種とともに電動ファン１５０によって周囲空間に排出され、周囲空気を殺菌する効果を奏する。
　このように、本実施形態の殺菌システム１００は、同心状に対向する第１電極１６ａと第２電極１６ｂとの間で面状に連続的に発生する誘電体バリア放電により大気圧低温プラズマを効率的に連続発生させることができる。また、プラズマガスはプラズマ生成層Ｐから第１電極１６ａの細孔を通じて円筒状空間Ａ内へ、あるいは間隙１７内に導入される。殺菌システム１００を用いた卓上空気清浄装置１は、周囲空気をプラズマ生成層Ｐにおいてプラズマと接触させ、また円筒状空間Ａ内でマルチプラズマガスと混合することで、効率的な殺菌処理を実現することができる。
　なお、図３の変形例では第１電極１６ａ、誘電体層１４、及び第２電極１６ｂからなる組を同心状に（入れ子状に）２組設けているが、３組以上を組み合わせるようにしてもよい。卓上空気清浄装置１に用いるプラズマ発生ユニット１０にも、２以上の第１電極１６ａ、誘電体層１４、及び第２電極１６ｂからなる組を設けてもよい。
［実施形態２］
　次に、本発明の第２の実施形態に係る殺菌システム１００について説明する。本殺菌システム１００は、実施形態１の円筒形殺菌システム１００と類似した構成を有しているが、実施形態１と比較して、より長尺なパイプ状に形成されている点が異なる。またプラズマ生成用の電極構成についても実施形態１とは異なる。以下、実施形態１の構成を念頭に、本実施形態の殺菌システム（以下簡便のため「プラズマパイプ」と呼称）の相違点、特徴を説明する。なお、実施形態１の要素と同等の要素には同一の符号を付している。
　図８に本実施形態のプラズマパイプ１００の部分分解斜視図を、図９にその横断面図を示している。このプラズマパイプ１００は、種々の流体の流路途中に設けることにより、流路内を流れる流体に対して大気圧低温プラズマによる殺菌処理を施す機能を備える。
　前記したように、プラズマパイプ１００は長尺なパイプ状に形成されており、それぞれがパイプ状の要素である第１電極１６ａ、誘電体層１４、第２電極１６ｂ、及び外装体１９が内方から同心状に配置されてなる。第１電極１６ａと第２電極１６ｂとはそれぞれ１ｍｍ厚程度のアルミニウム板又はステンレス板によってパイプ状に形成され、外側の第２電極１６ｂの内周面に接して約３ｍｍ厚の誘電体層１４が設けられている。誘電体層１４は加工性、所要の誘電率を考慮して適宜の材料を選択して形成することができ、例えばガラス層とすることができる。誘電体層１４の内周面と第１電極１６ａの外周面とが対向して、その間の約３ｍｍ程度の間隙がプラズマ生成層Ｐとされている。プラズマ生成層Ｐに面する誘電体層１４の表面には、プラズマパイプ１００の径方向において相対向する位置に超音波発振素子ＳＳが設置されている。この超音波発振素子ＳＳは、本実施形態では薄い圧電セラミックスからなる振動子を採用しているが、特に振動子の形式に制約はない。超音波発振素子ＳＳに高周波の交流電圧を印加することで、プラズマ生成層Ｐ内に超音波が放射される。この放射される超音波は、プラズマ生成層Ｐにおけるプラズマによる活性酸素種生成プロセスを促進させる効果を奏する。超音波発振素子ＳＳへ供給する交流電圧は、例えば実施形態１の図６に図示する制御部７０内に超音波発振素子ＳＳへの電圧供給制御回路を設けて超音波発振素子ＳＳに適当な周波数の交流電圧を供給するように構成することができる。交流電圧の振幅、周波数は、プラズマパイプ１００のプラズマ生成に関する仕様に応じて設定すればよい。なお、超音波発振素子ＳＳの設置位置は、上記の構成例に限定されることなく変更することができる。
　第２電極１６ｂの外方には、適宜の間隔を置いて外装体１９が設けられ、プラズマパイプ１００の外周を形成している。またプラズマパイプ１００の中心部には、第１電極１６ａ内方空間に撹拌作用を及ぼすための、流体撹拌手段であるサーキュレータＣＲが設置されている。サーキュレータＣＲはプラズマパイプ１００の軸線に沿って延在する筒状の部材の形態を取っており、その内部には前記撹拌作用のための回転羽根とそれを回転駆動するための駆動機構が設けられている（図示略）。サーキュレータＣＲの構成は、第１電極１６ａに囲まれた円筒状空間Ａ内の流体を撹拌する機能を発揮するものであれば、特定の構成に限定されるものではない。
　第２電極１６ｂの外周とプラズマ生成層Ｐとの間には、第２電極１６ｂ及び誘電体層１４、第１電極１６ａを貫通するように細長い中空のダクトＤが設けられている。連通路であるダクトＤは細いステンレスチューブ等の部材で形成され、第２電極１６ｂと外装体１９との間の環状空間Ｒとプラズマ生成層Ｐとの間、プラズマ生成層Ｐと円筒状空間Ａとの間をそれぞれ連通させている。図８，９にはダクトＤを一つのみ図示しているが、実際にはプラズマパイプ１００の軸線方向に沿って適宜の間隔で適宜の数だけ設けることができる。ダクトＤは、環状空間Ｒ内の流体をプラズマ生成層Ｐ内へ流入させてプラズマにより処理させ、その結果生成された種々の活性酸素種とともにさらに円筒状空間Ａ内へと流入させる流路の機能を果たす。円筒状空間Ａは、プラズマパイプ１００の外部から取り入れられる被処理流体の流路となっている。円筒状空間Ａ内を流れる被処理流体に、ダクトＤを通じてプラズマ生成層Ｐにおいてプラズマ処理がなされ、種々の活性酸素種を含んだプラズマ処理済み流体が導入される。円筒状空間Ａ内では、サーキュレータＣＲにより被処理流体とダクトＤからの活性酸素種を含む流体が撹拌、混合され、被処理流体が活性酸素種により殺菌処理される。
　図示する第１電極１６ａと第２電極１６ｂとの間には、実施形態１の図４等に関して述べたプラズマ電源部２０が接続され、それぞれが導電性材料（アルミニウム板、ステンレス板等）で形成された円筒状部材である第１電極１６ａと第２電極１６ｂとの間に誘電体層１４を介して形成されているプラズマ生成層Ｐにおいて誘電体バリア放電によるプラズマを生成する。プラズマ電源部２０が第１電極１６ａと第２電極１６ｂの間に印加する交流電圧は、実施形態１に関して説明した制御部７０の構成により、プラズマ生成が安定して行われるように制御される。
　前記したように、環状空間Ｒ内の流体（例えば空気）は、ダクトＤをプラズマ生成層Ｐへ導入される。導入された流体はプラズマ生成層Ｐにおいプラズマに接触して、気相活性酸素種を含むマルチプラズマガスとなる。このプラズマ生成層Ｐで生成されたマルチプラズマガスは、さらにダクトＤを通じて内方の円筒状空間Ａに導入される。本実施形態のプラズマパイプ１００に取り入れられた外気は円筒状空間Ａ内に誘導されて流れ、円筒状空間Ａを通過する際に、プラズマ生成層Ｐからの活性酸素種を含んだマルチプラズマガスと混合され殺菌処理される。サーキュレータＣＲは、円筒状空間Ａにおいて、導入された外気とマルチプラズマガスとの混合を撹拌により促進し、殺菌処理を加速させる作用を果たす。また外気の一部が分流されて環状空間Ｒに入るが、この外気は前記のようにダクトＤを通じてプラズマ生成層Ｐに導入されるので、プラズマ生成層Ｐ全体に発生しているプラズマに直接接触することで含まれているウイルス、微生物等はごく短時間でその構造が破壊される。
　以上のように、本実施形態のプラズマパイプ１００によれば、導入された外気がプラズマ生成層Ｐにおいて直接プラズマに接触し、また円筒状空間Ａにおいてマルチプラズマガスと混合されることにより、効率的に殺菌処理を行うことができる。
　なお、以上の説明では、本実施形態のプラズマパイプ１００を空気（気体）の殺菌処理に用いる場合について説明した。これに限定されることなく、本実施形態のプラズマパイプ１００は、液体の殺菌処理にも適用することができる。図１０に、本実施形態に係る殺菌システムであるプラズマパイプ１００を、流体流路を構成する管路の途中に設置した状態を模式的に示している。図示を省略しているが、プラズマパイプ１００に付帯して、先の実施形態において説明したようなプラズマ電源部、制御部、サーキュレータＣＲの駆動用電源部などが設けられる。図１０に示すように、このプラズマパイプ１００を流路途中に設けることで、流路内を流れる各種流体について、プラズマ生成層Ｐにおいて継続的に生成される大気圧低温プラズマ、及び生成されるマルチプラズマガスとの接触により、連続的に効率よく殺菌処理を行うことができる。図１０において、プラズマパイプ１００に導入されるのが液体である場合には、処理対象である液体は、円筒状空間Ａ内に導入され、プラズマ生成層Ｐには導入されない。外気はまず環状空間Ｒに導入され、ダクトＤからプラズマ生成層Ｐに入ってプラズマ処理されることにより活性酸素種を含むマルチプラズマガスとなる。このマルチプラズマガスがさらにダクトＤを通って円筒状空間Ａ内の液体中に導入され、そこで処理対象の液体と混合して殺菌処理を行う。
　なお、外装体１９は、プラズマパイプ１００が設置される流路の形態、流路を流れる流体の種類、性状に応じて材質等を決めればよい。例えば、流体が排水等の液体の場合は塩化ビニル管を、空気等の気体の場合はステンレス管等の金属管を好適に用いることができる。
　以上のように、本実施形態の殺菌システムであるプラズマパイプ１００によれば、流路を流れる流体をプラズマ、あるいは活性酸素種を含むマルチプラズマガスと連続的に接触させることにより、流体の効率的な殺菌処理を可能としている。
　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。
１　卓上空気清浄装置
１０　プラズマ発生ユニット
１４　誘電体層
１６ａ　第１電極
１６ｂ　第２電極
１９　外装体
２０　プラズマ電源部
２２　インバータ
２４　昇圧部
１００　プラズマ発生装置
１３０　オゾン分解フィルター
１４０　オゾンセンサ
１５０　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
Ｐ　プラズマ生成層
Ｒ　環状空間
Ａ　円筒状空間
Ｄ　ダクト
ＣＲ　サーキュレータ
ＳＳ　超音波発振素子

Claims (8)

  1. 　平板状の導電材料を筒状に形成してなる第１電極と、平板状の導電材料を筒状に形成してなり、前記第１電極の外周を所定の間隙をおいて取り囲むように配置されている第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に介在するように配置された筒状の誘電体層とが設けられてなるプラズマ生成部を備え、
    　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電極の間に前記誘電体層を介して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。
  2. 　それぞれ、平板状の導電材料を筒状に形成してなる第１電極と、平板状の導電材料を筒状に形成してなり、前記第１電極の外周を所定の間隙をおいて取り囲むように配置されている第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に介在するように配置された筒状の誘電体層とが設けられてなる、第１のプラズマ生成部と第２のプラズマ生成部とを備え、前記第１のプラズマ生成部と前記第２のプラズマ生成部とは同心状に、前記第２のプラズマ生成部の第１電極が前記第１のプラズマ生成部の第２電極から所定の間隙を保持するように配置されており、
    　前記第１及び第２の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電極の間に前記誘電体層を介して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。
  3. 　前記第１電極は金属板に複数の細孔を設けてなるパンチングメタル板によって形成され、前記第２電極は金属細線を編組してなる金属メッシュ材によって形成され、前記第１電極と前記第２電極との間に、誘電体材料からなる誘電体層が形成されている、請求項１又は２に記載のプラズマ発生ユニット。
  4. 　請求項１又は２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。
  5. 　請求項４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。
  6. 　平板状の導電材料を筒状に形成してなる第１電極と、平板状の導電材料を筒状に形成してなり、前記第１電極の外周を所定の間隙をおいて取り囲むように配置されている第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に介在するように配置された筒状の誘電体層とが設けられてなるプラズマ生成部と、
    　前記第１及び第２電極の間にある間隙と前記第１電極内方の空間及び前記第２電極外方の空間とを連通させる連通路と
    を備え、
    　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電極の間に前記誘電体層を介して大気圧低温プラズマを生成させ、
    　前記第２電極外方の空間から前記第１及び第２電極の間にある間隙へ前記連通路を通じて導入される流体を、大気圧低温プラズマにより処理してマルチプラズマガスを生成するとともに、当該マルチプラズマガスを前記連通路を通じて前記第１電極内方の円筒状空間に流入させる、
    プラズマ発生ユニット。
  7. 　請求項６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。
  8. 　前記プラズマ発生ユニットの第１電極内方空間に流体撹拌手段を備えている、請求項７に記載のプラズマ発生装置。
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