JP4881249B2 - Plasma sterilization apparatus and plasma sterilization method - Google Patents
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Description
本発明は、特に医療に用いて好適の、プラズマ滅菌装置及びプラズマ滅菌方法に関するものである。 The present invention relates to a plasma sterilization apparatus and a plasma sterilization method particularly suitable for medical use.
近年、ノロウイルスやトリインフルエンザといった病原微生物による感染症が世界規模で拡大しており、深刻な社会問題となっている。このような感染症を予防するためには確実に滅菌・消毒処理を行う必要があり、特に免疫力の小さい高齢者や幼児にとって安全かつ容易に実現可能となる滅菌法の確立は非常に重要である。
滅菌法とは、すべての微生物を死滅させる処理方法である。医療現場で求められる滅菌後の微生物汚染の水準は10-6であり、これは1,000,000個の同一鉗子を滅菌した際に、そのうちの1個が微生物に汚染されているという水準である。これを無菌性保証レベル(SAL;sterility assurance level)という。
In recent years, infectious diseases caused by pathogenic microorganisms such as norovirus and avian influenza have spread worldwide and have become a serious social problem. In order to prevent such infections, it is necessary to perform sterilization and disinfection without fail, and it is extremely important to establish a sterilization method that can be realized safely and easily, especially for elderly people and infants with low immunity. is there.
The sterilization method is a treatment method that kills all microorganisms. The level of microbial contamination after sterilization required in the medical field is 10 −6 , which means that when 1,000,000 identical forceps are sterilized, one of them is contaminated with microorganisms. This is called sterility assurance level (SAL).
なお、滅菌法に対して、消毒法とは、一定の抗菌スペクトルを有した処理方法で、目的
とする微生物は死滅させるが、一消毒法の抗菌スペクトルからは必ずはみ出た微生物が存在し、すべての微生物に有効なわけではない。消毒薬を例に取るならば、一つの消毒薬には必ず抵抗性を示す微生物が存在し、場合によってはその消毒薬の中で増殖する場合もある。
In contrast to the sterilization method, the disinfection method is a treatment method with a certain antibacterial spectrum, and the target microorganisms are killed, but there are microorganisms that always protrude from the antibacterial spectrum of one disinfection method. It is not effective against other microorganisms. Taking a disinfectant as an example, there is always a resistant microorganism in one disinfectant, and in some cases it may grow in that disinfectant.
滅菌法には、加熱法(高圧蒸気滅菌,乾熱滅菌),ガス法(酸化エチレンガス滅菌,過酸化水素低温ガスプラズマ滅菌),照射法(放射線滅菌),濾過法の4つが存在する。これらの滅菌法のうち、最も広く用いられている方法が加熱法であり、高温の湿熱または空気,火炎などを用いて滅菌処理する方法を指す。
その中でも、とりわけ高圧蒸気滅菌が多用されている。高圧蒸気滅菌は飽和蒸気を用いて滅菌を行うものである。この方法が多用される理由は、(1)身近に大量に存在して安価である水を用いている、(2)気体である蒸気は熱を大量に保有・放出する、(3)蒸気は凝縮して水に戻るが無害で副作用の心配が無い、(4)水は科学的に安定した分子であり取り扱いが容易である、(5)蒸気は微細な空間にもよく浸透する、といった特長を有しているからである。特に、水は気体から液体に凝縮する際に大きな熱を放出し、そのエネルギーを滅菌に利用できるため、乾熱滅菌に比べ低温で滅菌でき効率的である。なお、高圧蒸気滅菌については、例えば、非特許文献1に記載されている。
Among them, high-pressure steam sterilization is particularly used. High-pressure steam sterilization is performed using saturated steam. The reason why this method is frequently used is that (1) a large amount of water that is close and inexpensive is used, (2) vapor, which is a gas, holds and releases a large amount of heat, (3) Condensed and returned to water, harmless and no side effects, (4) Water is a scientifically stable molecule and easy to handle, (5) Vapor penetrates well into fine spaces It is because it has. In particular, when water condenses from a gas to a liquid, it releases a large amount of heat, and the energy can be used for sterilization. In addition, about high pressure steam sterilization, it describes in the nonpatent literature 1, for example.
しかしながら、高圧蒸気滅菌には、(1)高圧蒸気を発生させるための密閉容器が必要となる、(2)高圧化することで蒸気圧が上昇し、それに伴い蒸気温度も上昇するため低耐熱性の被滅菌物には使用することができない、といった問題も存在する。そこで、減圧や加圧の必要の無い大気圧の条件で、より低温での滅菌処理を可能とするような、低コスト且つ幅広く応用可能な滅菌技術が開発されることが望まれている。 However, high-pressure steam sterilization requires (1) a sealed container for generating high-pressure steam. (2) Steam pressure rises as the pressure increases, and steam temperature rises accordingly. There is also a problem that it cannot be used for sterilized products. Therefore, it is desired to develop a sterilization technique that can be applied at a low cost and can be widely applied so as to enable sterilization at a lower temperature under conditions of atmospheric pressure that does not require decompression or pressurization.
本発明はこのような要望に鑑み案出されたもので、大気圧の水蒸気流中にプラズマ流を生成し、そのプラズマ流により滅菌することができるようにした、プラズマ滅菌装置及びプラズマ滅菌方法を提供することを目的とする。 The present invention has been devised in view of such a demand, and provides a plasma sterilization apparatus and a plasma sterilization method capable of generating a plasma flow in an atmospheric water vapor flow and sterilizing by the plasma flow. The purpose is to provide.
上記目的を達成するために、請求項1記載の本発明のプラズマ滅菌装置は、誘電体からなるとともに一端を大気開放され、滅菌の対象となる被滅菌物を内部に配置される管と、該管の他端に接続され、該管の内部へ流通させるための水蒸気を発生させる水蒸気発生部と、該管の中途に設けられ、該管の内部で誘電体バリア放電を起こす放電部と、該誘電体バリア放電に係る交流電圧を該放電部へ印加する電圧発生部とを備え、該放電部が、該管の内部に挿入された第一電極と、該管の外周に配置され接地された第二電極とを有し、該電圧発生部が、該第一電極と該第二電極との間に該交流電圧を印加し、該管が、円筒状に形成され、該第二電極が、円筒状をなして該管の外周に配置され、該第一電極が、線状に形成され、第二電極の筒軸に対し偏心して配置され、該電圧発生部が、該放電部へ印加される矩形波の該交流電圧が立ち上がる際に放電電流が流れた後に該放電電流の最大値よりもさらに大きな電流が瞬間的に流れる放電状態となる、所定電圧以上の交流電圧を該放電部へ印加し、該水蒸気発生部が、該管の内部を水蒸気で満たすことを特徴としている。 In order to achieve the above object, a plasma sterilization apparatus according to the first aspect of the present invention comprises a tube made of a dielectric material, one end of which is opened to the atmosphere, and an object to be sterilized is disposed therein, A water vapor generating part connected to the other end of the tube for generating water vapor to flow into the tube, a discharge part provided in the middle of the tube and causing a dielectric barrier discharge inside the tube; A voltage generating unit for applying an AC voltage related to dielectric barrier discharge to the discharge unit, the discharge unit being disposed on the outer periphery of the tube and grounded, the first electrode inserted in the tube A second electrode, the voltage generator applies the alternating voltage between the first electrode and the second electrode, the tube is formed in a cylindrical shape, the second electrode, It is arranged on the outer periphery of the tube in a cylindrical shape, and the first electrode is formed in a linear shape and is opposed to the cylinder axis of the second electrode. When the alternating current voltage of the rectangular wave applied to the discharge unit rises, the voltage generation unit is arranged eccentrically, and then a current larger than the maximum value of the discharge current instantaneously flows after the discharge current flows. An AC voltage equal to or higher than a predetermined voltage in a discharge state is applied to the discharge part, and the water vapor generation part fills the inside of the tube with water vapor .
すなわち、まず、放電電流が電圧印加の際(放電電圧値の変動の際)に短時間流れる放電状態を有するものであって、誘電体バリア放電特有の放電形態の一種をマイクロ放電と定義すれば、請求項1記載の本発明のプラズマ滅菌装置は、このマイクロ放電の放電電流の最大値よりもはるかに大きな放電電流がパルス状に流れる大きさの交流電圧を、放電部へ印加することを特徴としている。 Ie, first, be those discharge current has a discharge state flowing short time (during the fluctuation of the discharge voltage value) upon application of voltage, the micro discharge type of dielectric barrier discharge characteristic of a discharge form If it defines, the plasma sterilization apparatus of this invention of Claim 1 will apply the alternating voltage of the magnitude | size which a discharge current far larger than the maximum value of the discharge current of this micro discharge flows to a discharge part to a discharge part. It is characterized by that.
請求項2記載の本発明のプラズマ滅菌装置は、請求項1記載のプラズマ滅菌装置において、該電圧発生部が、放電による単位時間当たりのエネルギーが3.0W以上となる3 〜4 kHz以内の周波数の交流電圧を該放電部へ印加することを特徴としている。
請求項3記載の本発明のプラズマ滅菌方法は、誘電体からなり一端を大気開放された管の内部に、滅菌の対象となる被滅菌物を配置する第一工程と、該管の他端から該管の内部へ水蒸気を供給し、該管の内部を該水蒸気で満たす第二工程と、電極間に交流電圧を印加し、該管の内部に誘電体バリア放電を起こして該水蒸気をプラズマ化する第三工程とを備え、該第一工程において、該管の内部に第一電極を挿入し、且つ、接地された第二電極を該管の外周に配置し、該第三工程において、該第一電極と該第二電極との間に交流電圧を印加し、該誘電体バリア放電を起こし、該第一工程において、該管を円筒状に形成するとともに、該第二電極を円筒状に形成して該管の外周に配置し、且つ、該第一電極を線状に形成して該第二電極の筒軸に対し偏心して配置し、該第三工程において、該放電部へ印加される矩形波の該交流電圧が立ち上がる際に放電電流が流れた後に該放電電流の最大値よりもさらに大きな電流が瞬間的に流れる放電状態となる、所定電圧以上の交流電圧を印加し、該誘電体バリア放電を起こすことを特徴としている。
Plasma sterilization apparatus of the present invention described in claim 2 provides the plasma sterilizing device according to claim 1 Symbol placement, the voltage generating unit, 3-4 frequency within kHz energy per unit due to discharge time is more than 3.0W The AC voltage is applied to the discharge part.
The plasma sterilization method of the present invention according to claim 3 is a first step of placing an object to be sterilized in a tube made of a dielectric material and having one end opened to the atmosphere, and from the other end of the tube. Supplying water vapor to the inside of the tube, filling the inside of the tube with the water vapor, and applying an AC voltage between the electrodes, causing dielectric barrier discharge inside the tube to turn the water vapor into plasma And in the first step, the first electrode is inserted into the tube, and the grounded second electrode is disposed on the outer periphery of the tube. An AC voltage is applied between the first electrode and the second electrode to cause the dielectric barrier discharge. In the first step, the tube is formed into a cylindrical shape, and the second electrode is formed into a cylindrical shape. Formed and arranged on the outer periphery of the tube, and the first electrode is formed in a linear shape and is opposed to the cylinder axis of the second electrode. In the third step, a current larger than the maximum value of the discharge current instantaneously flows after the discharge current flows when the AC voltage of the rectangular wave applied to the discharge section rises in the third step. The dielectric barrier discharge is caused by applying an AC voltage equal to or higher than a predetermined voltage in a discharge state .
請求項4記載の本発明のプラズマ滅菌方法は、請求項3記載のプラズマ滅菌方法において、該第三工程において、放電による単位時間当たりのエネルギーが3.0W以上となる、3 〜4 kHz以内の周波数の交流電圧を印加し、該誘電体バリア放電を起こすことを特徴としている。 The plasma sterilization method of the present invention according to claim 4 is the plasma sterilization method according to claim 3 , wherein in the third step, the frequency per unit time by discharge is 3.0 W or more, and the frequency within 3 to 4 kHz. The AC barrier voltage is applied to cause the dielectric barrier discharge.
本発明のプラズマ滅菌装置及びプラズマ滅菌方法によれば、誘電体バリア放電により、大気圧下において管内の水蒸気がプラズマ化される。したがって、減圧や加圧の必要なく、水蒸気のプラズマ流により滅菌することができる。また、大気圧下のため、管内の雰囲気温度は100 ℃で一定となっており、例えば2気圧に加圧した高圧蒸気滅菌に比べ21 ℃低い温度で滅菌することができ、より多くの被滅菌物に対して滅菌処理を行うことができる。さらに、大気圧下の水蒸気を利用するので、密閉容器が不要であり、装置構成を安価且つ簡素にすることができる。 According to the plasma sterilization apparatus and the plasma sterilization method of the present invention, water vapor in the tube is turned into plasma under atmospheric pressure by dielectric barrier discharge. Therefore, it is possible to sterilize with a plasma flow of water vapor without the need for decompression or pressurization. In addition, because it is under atmospheric pressure, the ambient temperature in the tube is constant at 100 ° C. For example, it can be sterilized at a temperature 21 ° C lower than high-pressure steam sterilization pressurized to 2 atm. It is possible to sterilize the object. Furthermore, since water vapor under atmospheric pressure is used, a sealed container is unnecessary, and the apparatus configuration can be made inexpensive and simple.
また、第一電極を第二電極に対して偏心して配置すれば、管の断面方向におけるプラズマの発生位置に偏りを生じさせて、管の断面方向に流れるプラズマ流を形成し、管内に満遍なくプラズマ化された水蒸気を行き渡らせることができる。したがって、滅菌効果をより高めることができる。
また、上述のように定義したマイクロ放電の放電電流の最大値よりも大きな電流がパルス状に流れる放電を起こす大きさの交流電圧を放電部へ印加すれば、滅菌効果をより高めることができる。さらに、放電による単位時間当たりのエネルギーが3.0W以上となる3 〜4 kHz内の周波数の交流電圧を放電部へ印加しても、滅菌効果をより高めることができる。
Also, if the first electrode is arranged eccentrically with respect to the second electrode, the plasma generation position in the tube cross-sectional direction is biased to form a plasma flow that flows in the tube cross-sectional direction, and the plasma is evenly distributed in the tube. Water vaporized can be distributed. Therefore, the sterilization effect can be further enhanced.
Further, the sterilization effect can be further enhanced by applying to the discharge part an AC voltage having a magnitude that causes a discharge in which a current larger than the maximum value of the discharge current of the micro discharge defined as described above flows in a pulsed manner. Furthermore, the sterilization effect can be further enhanced by applying an AC voltage having a frequency within 3 to 4 kHz at which the energy per unit time by discharge is 3.0 W or more to the discharge part.
以下、図面により、本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係るプラズマ滅菌装置を示す模式的な構成図である。図2〜図28は、図1のプラズマ滅菌装置を用いて行った実験結果を示すものであって、図2〜図5は、印加電圧を変化させて水蒸気流中にプラズマを発生させたときの放電波形を示すグラフ、図6〜図9は印加電圧を変化させて空気中にプラズマを発生させたときの放電波形を示すグラフ、図10〜図13は印加周波数を変化させて水蒸気流中にプラズマを発生させたときの放電波形を示すグラフ、図14は図2〜図13の放電波形により算出された各条件における放電電流の最大値を示すグラフ、図15及び図16は図2〜図13の放電波形により算出された各条件における放電電力を示すグラフ、図17は印加電圧を変化させて水蒸気流中及び空気中にプラズマを発生させたときの放電電力を示すグラフ、図18〜図20は印加電圧を変化させて水蒸気流中にプラズマを発生させたときの放電部の管断面写真、図21は空気中にプラズマを発生させたときの放電部の管断面写真、図22〜図25は印加周波数を変化させて水蒸気流中にプラズマを発生させたときの放電部の管断面写真、図26〜図28は水蒸気流中にプラズマを発生させたときの滅菌結果を示す表である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a plasma sterilization apparatus according to an embodiment of the present invention. 2 to 28 show the results of experiments conducted using the plasma sterilization apparatus of FIG. 1, and FIGS. 2 to 5 show the case where plasma is generated in a water vapor flow by changing the applied voltage. 6 to 9 are graphs showing discharge waveforms when plasma is generated in the air by changing the applied voltage, and FIGS. 10 to 13 are graphs showing the discharge waveform when the applied frequency is changed. 14 is a graph showing the discharge waveform when plasma is generated in FIG. 14, FIG. 14 is a graph showing the maximum value of the discharge current in each condition calculated from the discharge waveforms of FIGS. 2 to 13, and FIGS. FIG. 17 is a graph showing the discharge power in each condition calculated from the discharge waveform of FIG. 13, FIG. 17 is a graph showing the discharge power when plasma is generated in the water vapor flow and air by changing the applied voltage, FIG. FIG. 20 shows the applied voltage. Fig. 21 is a cross-sectional photograph of the discharge portion when plasma is generated in the water vapor stream, Fig. 21 is a cross-sectional photograph of the discharge portion when plasma is generated in the air, and Figs. FIG. 26 to FIG. 28 are tables showing sterilization results when plasma is generated in the water vapor flow, with the cross-sectional photographs of the discharge section when plasma is generated in the water vapor flow by changing.
[1. プラズマ滅菌装置]
図1に示すように、プラズマ滅菌装置1は、管10と、放電部20と、水蒸気発生部30と、電圧発生部40とを有している。また、プラズマ滅菌装置1は、放電部20における二次生成物を考慮して、図示しないドラフト内に設置されている。
管10は、石英ガラスにより円筒状に形成され、一端を大気開放されて、滅菌の対象となる被滅菌物が内部に配置されるようになっている。なお、管10の一端は、ここでは、シリコンチューブ11が接続され、シリコンチューブ11の先端がビーカー12に差し込まれた状態となっており、シリコンチューブ11を介して大気開放されている。
[1. Plasma sterilizer]
As shown in FIG. 1, the plasma sterilization apparatus 1 includes a tube 10, a discharge unit 20, a water vapor generation unit 30, and a voltage generation unit 40. The plasma sterilization apparatus 1 is installed in a draft (not shown) in consideration of secondary products in the discharge unit 20.
The tube 10 is formed in a cylindrical shape from quartz glass, and one end thereof is opened to the atmosphere so that an object to be sterilized is placed inside. Here, one end of the tube 10 is connected to the silicon tube 11 here, and the tip of the silicon tube 11 is inserted into the beaker 12 and is opened to the atmosphere via the silicon tube 11.
放電部20は、管10の内部に偏心して挿入された、線状のステンレス製のワイヤ電極(第一電極)21と、管10の外周に配置され、接地されたアルミ製の接地電極(第二電極)22とを備えている。接地電極22は、円筒状をなして、管10の外周に接着している。そして、管10が誘電体として機能し、管10の内部に誘電体バリア放電を形成し、大気圧非平衡プラズマを発生させるようになっている。なお、図1では、視認しやすいように、接地電極22にドットを付している。 The discharge part 20 is inserted into the tube 10 in an eccentric manner, and is made of a linear stainless steel wire electrode (first electrode) 21 and an aluminum ground electrode (first electrode) disposed on the outer periphery of the tube 10 and grounded. Two electrodes) 22. The ground electrode 22 has a cylindrical shape and is bonded to the outer periphery of the tube 10. The tube 10 functions as a dielectric, and forms a dielectric barrier discharge inside the tube 10 to generate atmospheric pressure non-equilibrium plasma. In FIG. 1, dots are attached to the ground electrode 22 for easy visual recognition.
ここで、誘電体バリア放電について簡単に説明すると、誘電体バリア放電は、二つの電極間に少なくとも一つの誘電体を挿入して放電させる方法であり、低電力で安定したプラズマを発生させることが可能となっている。
水蒸気発生部30は、管10の他端に接続されており、所定の容量のフラスコ31と、フラスコ31を加熱するヒーター32と、発生した水蒸気を放電部20へと供給するシリコンチューブ33とを備えている。つまり、管10の他端にシリコンチューブ33が接続されている。そして、純水を入れたフラスコ31をヒーター32で加熱することで水蒸気を発生させ、発生した水蒸気が、シリコンチューブ33を介して放電部20へと供給されるようになっている。
Here, the dielectric barrier discharge will be briefly described. The dielectric barrier discharge is a method of discharging by inserting at least one dielectric between two electrodes, and can generate a stable plasma with low power. It is possible.
The steam generation unit 30 is connected to the other end of the tube 10, and includes a flask 31 having a predetermined capacity, a heater 32 for heating the flask 31, and a silicon tube 33 for supplying the generated steam to the discharge unit 20. I have. That is, the silicon tube 33 is connected to the other end of the tube 10. Then, the flask 31 containing pure water is heated by the heater 32 to generate water vapor, and the generated water vapor is supplied to the discharge unit 20 via the silicon tube 33.
ここで、放電部20にてプラズマを生成した後、水滴を含む全ての水蒸気は大気へと放出される。したがって、水蒸気発生部30及び放電部20は大気圧となり、水蒸気温度は100 ℃で一定となる。
電圧発生部40は、図3に示すように、ファンクションジェネレータ41と、デジタルオシロスコープ42と、高電圧電力増幅器43とを備えている。そして、ファンクションジェネレータ41により交流電圧を発生させ、高電圧電力増幅器43によりその交流電圧を1000倍に増幅し、増幅された交流高電圧が、放電部20に印加されるようになっている。放電の際は、デジタルオシロスコープ42を用いて、印加電圧V,放電電圧及び放電電流を測定する。
Here, after plasma is generated in the discharge unit 20, all water vapor including water droplets is released to the atmosphere. Therefore, the water vapor generating unit 30 and the discharge unit 20 are at atmospheric pressure, and the water vapor temperature is constant at 100 ° C.
As shown in FIG. 3, the voltage generator 40 includes a function generator 41, a digital oscilloscope 42, and a high voltage power amplifier 43. Then, an AC voltage is generated by the function generator 41, the AC voltage is amplified 1000 times by the high voltage power amplifier 43, and the amplified AC high voltage is applied to the discharge unit 20. When discharging, the digital oscilloscope 42 is used to measure the applied voltage V, the discharge voltage, and the discharge current.
[2. プラズマ滅菌装置による実験]
プラズマ滅菌装置1を用いた実験について説明する。この実験により、大気圧条件下で水蒸気プラズマ流を発生させ、印加電圧V及び印加周波数fを変化させることで、放電波形,放電電力P及び放電の様子がどのように変化するかを明らかにし、そのプラズマ特性および滅菌特性を明らかにする。
[2. Experiments with plasma sterilizer]
An experiment using the plasma sterilizer 1 will be described. By this experiment, it is clarified how the discharge waveform, the discharge power P and the state of discharge change by changing the applied voltage V and the applied frequency f by generating a water vapor plasma flow under atmospheric pressure conditions. Its plasma and sterilization characteristics are revealed.
本実験において、プラズマ滅菌装置1は、管10には内径φ8 mm,外径φ10 mmのものを使用し、ステンレスワイヤ電極21にはφ0.28 mmのものを使用し、接地電極22には長さL=57 mm,電極面積S=4475 mm2のものと長さL=80 mm,電極面積S=6280 mm2のものとを使用している。
また、フラスコ31には容量500 mlのものを使用し、ヒーター32には定格出力が250 Wのマントルヒーター(AFR-5,大科電器株式会社)を使用し、シリコンチューブ33には内径φ10 mm,外径φ13 mmのものを使用している。
In this experiment, the plasma sterilizer 1 uses a tube 10 having an inner diameter of φ8 mm and an outer diameter of φ10 mm, a stainless wire electrode 21 having a diameter of φ0.28 mm, and a ground electrode 22 having a long length. The length L = 57 mm and the electrode area S = 4475 mm 2 and the length L = 80 mm and the electrode area S = 6280 mm 2 are used.
In addition, a flask 31 having a capacity of 500 ml is used, a heater 32 using a mantle heater with a rated output of 250 W (AFR-5, Taishin Electric Co., Ltd.), and a silicon tube 33 having an inner diameter of φ10 mm. The one with an outer diameter of φ13 mm is used.
さらに、ファンクションジェネレータ41には、株式会社NF回路設計ブロック製のWAVE FACTORY WF1943Bを使用し、デジタルオシロスコープ42には、Le Croy社製のWave Surfer 434を使用するとともに波形に矩形波を使用し、高電圧電力増幅器43には、株式会社NF回路設計ブロック製の10kVA AC/DC増幅器 HVA 4321を使用している。 Furthermore, the function generator 41 uses the Wave Factory WF1943B manufactured by NF Circuit Design Block Co., Ltd., and the digital oscilloscope 42 uses the Wave Surfer 434 manufactured by Le Croy and uses a square wave for the waveform. The voltage power amplifier 43 uses a 10 kVA AC / DC amplifier HVA 4321 manufactured by NF Circuit Design Block Co., Ltd.
[2.1 プラズマ特性の検証方法]
プラズマ特性の解明にあたり、まず、管10内の水蒸気流の流量および流速を測定する。水蒸気発生部30より生じた水蒸気を管10内に流し、管10出口で冷却することで、水蒸気が凝縮して水滴を生じる。水が液体から気体へと変化すると体積が1700倍となるため、水滴の増加量を測定することで、管10内に流れる水蒸気の平均流量が求まる。さらに、求めた平均流量を管10の断面積で割ると、管内水蒸気流の平均流速が求まる。
上記の方法で計測を3回行い、その平均より管内平均流量及び平均流速を求める。
[2.1 Plasma characteristics verification method]
In elucidating the plasma characteristics, first, the flow rate and flow rate of the water vapor flow in the tube 10 are measured. The water vapor generated from the water vapor generating unit 30 flows into the tube 10 and is cooled at the outlet of the tube 10, whereby the water vapor is condensed and water droplets are generated. When water changes from a liquid to a gas, the volume increases by 1700 times. Therefore, the average flow rate of water vapor flowing in the pipe 10 can be obtained by measuring the amount of increase in water droplets. Further, when the obtained average flow rate is divided by the cross-sectional area of the pipe 10, the average flow velocity of the water vapor flow in the pipe is obtained.
Measurement is performed three times by the above method, and the average flow rate and average flow velocity in the pipe are obtained from the average.
[2.1.1 放電波形の測定および放電電力の算出]
放電波形の測定はオシロスコープ42により行なう。放電部20の長さL,印加周波数f及び印加電圧Vを変化させ、それぞれの条件で任意の瞬間における放電波形を測定する。その際に得られた波形から、式(1)により放電電力Pの算出を行なう。
P = VI…(1)
なお、測定は各条件につき3回行い、放電電力Pはその平均値として算出する。
[2.1.1 Measurement of discharge waveform and calculation of discharge power]
The discharge waveform is measured with an oscilloscope 42. The length L, the applied frequency f, and the applied voltage V of the discharge unit 20 are changed, and the discharge waveform at an arbitrary moment is measured under each condition. From the waveform obtained at that time, the discharge power P is calculated by the equation (1).
P = VI… (1)
The measurement is performed three times for each condition, and the discharge power P is calculated as an average value.
[2.1.2 放電部の観察]
放電部20の観察は管断面写真を撮影して行なう。印加周波数fを一定として印加電圧Vを変化させたとき、また印加電圧Vを一定として印加周波数fを変化させたときに放電の様子がどのように変化するかを観察する。なお、撮影にはデジタル一眼レフカメラ(D50,株式会社ニコン)を用いている。
[2.1.2 Observation of discharge section]
Observation of the discharge unit 20 is performed by taking a tube cross-sectional photograph. It is observed how the state of discharge changes when the applied voltage V is changed with the applied frequency f kept constant, and when the applied frequency f is changed with the applied voltage V kept constant. A digital SLR camera (D50, Nikon Corporation) is used for shooting.
[2.2 滅菌特性の検証方法]
滅菌実験は短時間判定用生物学的インジケータ(Attest 1291,住友スリーエム株式会社)を用いて行なう。本実験では、滅菌用サンプル(被滅菌物)としてジェオバシラス・ステアロサーモフィラス(Geobacillus stearothermophilus;ATCC 7933、以下芽胞菌という)を使用する。また、実験に使う器具はアルコール消毒してから使用する。
[2.2 Method of verifying sterilization characteristics]
Sterilization experiments are performed using a short-term biological indicator (Attest 1291, Sumitomo 3M Limited). In this experiment, Geobacillus stearothermophilus (ATCC 7933, hereinafter referred to as “spore bacterium”) is used as a sample for sterilization (an object to be sterilized). Also, the instruments used in the experiment should be used after disinfecting with alcohol.
インジケータ内に芽胞菌が染み込んだ紙片が入っているので、これを取り出す。紙片は放電部20の管壁に沿うように設置し、各条件に対して3つ用いる。滅菌処理は、放電部20が十分に水蒸気で満たされ、且つ、放電部20の温度が一定となってから行なう。放電は、ステンレスワイヤ電極21がたるみが無いよう直線状に張られていることを確認してから開始する。放電の開始を滅菌処理の開始と見なし、紙片は設定した滅菌処理時間t分間だけプラズマに曝される。 The indicator contains a piece of paper soaked with spore bacteria. A piece of paper is installed along the tube wall of the discharge unit 20, and three pieces are used for each condition. The sterilization process is performed after the discharge unit 20 is sufficiently filled with water vapor and the temperature of the discharge unit 20 becomes constant. The discharge is started after confirming that the stainless wire electrode 21 is stretched in a straight line so that there is no slack. The start of the discharge is regarded as the start of the sterilization process, and the paper piece is exposed to the plasma for the set sterilization time t.
滅菌処理が終わったらただちに放電を終了させ、放電部20より紙片を取り出す。この際、放電部20の温度は100 ℃まで上昇しているため、やけどしないよう十分に放熱してから作業を行うようにする。取り出した紙片は水分を大量に含んでしまっているため、インジケータに戻す前に紙ウエスに吸水させる。これは、紙片が水分を大量に含んでいると滅菌の判定に影響が出る恐れがあるためである。なお、紙ウエスには、日本製紙クレシア株式会社製のものを用いる。 As soon as the sterilization process is finished, the discharge is terminated and a piece of paper is taken out from the discharge unit 20. At this time, since the temperature of the discharge part 20 has risen to 100 ° C., the work should be performed after sufficiently dissipating heat so as not to burn. Since the taken-out paper piece contains a large amount of moisture, the paper waste is absorbed before returning to the indicator. This is because the determination of sterilization may be affected if a piece of paper contains a large amount of moisture. As the paper waste, one made by Nippon Paper Crecia Co., Ltd. is used.
滅菌処理の終わった紙片をインジケータの中に戻したら滅菌の判定を行う。判定には滅菌判定器(Attest Auto-Reader,住友スリーエム株式会社)50を用いる。
滅菌判定器50は、芽胞菌が成育する際に生じる酵素が蛍光反応を示し、その蛍光を読み取ることで滅菌の成否を判定するものである。判定にあたり、インジケータ内のガラスアンプルを圧搾する。アンプルの中には培養液が入っており、紙片が培養液に浸されることで芽胞菌が培養される。紙片が十分培養液に浸されたことを確認したら、インジケータを滅菌判定器50にかける。滅菌判定器50は、1時間の蛍光判定を行い、滅菌の成否を判定する。陽性(+)は滅菌の未完了を、陰性(−)は滅菌の完了を表す。この際、陽性コントロールとして滅菌処理を行っていないインジケータも同時に判定にかける。陽性コントロールが正しく陽性を示さない場合はインジケータの入っているインキュベータの保管状況を確認する。滅菌の判定が終わったインジケータはオートクレーブにより十分な滅菌処理を行ってから破棄するようにする。
When the sterilized paper piece is returned to the indicator, sterilization is determined. For determination, a sterilization determination device (Attest Auto-Reader, Sumitomo 3M Limited) 50 is used.
The sterilization determination device 50 determines the success or failure of sterilization by reading the fluorescence of the enzyme produced when the spore germ grows. In judging, the glass ampule in the indicator is squeezed. The ampoule contains a culture solution, and spore bacteria are cultured by immersing a piece of paper in the culture solution. When it is confirmed that the piece of paper is sufficiently immersed in the culture solution, the indicator is put on the sterilization determination device 50. The sterilization determination device 50 performs fluorescence determination for 1 hour, and determines the success or failure of sterilization. Positive (+) indicates incomplete sterilization and negative (-) indicates completion of sterilization. At this time, an indicator that has not been sterilized is also subjected to determination as a positive control. If the positive control does not show positive correctly, check the storage status of the incubator with the indicator. An indicator that has been judged to be sterilized should be discarded after being fully sterilized by an autoclave.
以上の作業を、印加周波数f,印加電圧V及び滅菌処理時間tを変化させ、各条件に対する滅菌効果を検証する。
[3. 実験結果および考察]
[3.1 プラズマ特性]
本実験では、大気圧における水蒸気流中にプラズマ流を発生するにあたり、管内に流れる水蒸気流の流量および流速を測定した。この水蒸気流中に印加電圧V及び印加周波数fを変化させてプラズマ流を発生させることで、放電状態がどのように変化するかを明らかにする。以下にその結果および考察を示す。
The above operation is performed by changing the applied frequency f, the applied voltage V, and the sterilization treatment time t to verify the sterilization effect for each condition.
[3. Experimental results and discussion]
[3.1 Plasma characteristics]
In this experiment, when the plasma flow was generated in the water vapor flow at atmospheric pressure, the flow rate and flow velocity of the water vapor flow flowing in the pipe were measured. It is clarified how the discharge state changes by changing the applied voltage V and the applied frequency f in the water vapor flow to generate a plasma flow. The results and discussion are shown below.
[3.1.1 管内平均流量および平均流速の測定]
本実験で用いたマントルヒーター32の出力は250 Wであり、100 ℃における液体の水と気体の水とのエンタルピー差が2259 J/g であることから、マントルヒーター32による熱が理想的に水の蒸発のためだけに全て使われたと仮定すると、管内平均流量は11.3 l/min、平均流速は3.7 m/sとなる。しかし、熱損失が存在し一部の水蒸気が凝縮するため、実際の流速はこれよりも遅くなる。
実験では、3回の測定結果の平均より、管内平均流量8.1 l/minが得られた。これを流速に換算すると、管内平均流速は2.7 m/sとなる。すなわち、67 Wの熱損失が存在していると言える。
[3.1.1 Measurement of average pipe flow rate and average flow velocity]
The output of the mantle heater 32 used in this experiment is 250 W, and the enthalpy difference between liquid water and gaseous water at 100 ° C is 2259 J / g. Assuming that all was used only for evaporation, the average flow rate in the pipe was 11.3 l / min and the average flow velocity was 3.7 m / s. However, since there is heat loss and some water vapor condenses, the actual flow rate is slower.
In the experiment, an average pipe flow rate of 8.1 l / min was obtained from the average of three measurement results. When this is converted into a flow velocity, the average pipe flow velocity is 2.7 m / s. In other words, it can be said that 67 W of heat loss exists.
[3.1.2 放電波形の測定]
図2〜図5に、印加周波数f=3 kHz,放電部長さL=80 mm とし、印加電圧Vを11 kVpp〜14 kVppに変化させて、水蒸気流中にプラズマを発生させたときの放電波形を示す。
[3.1.2 Discharge waveform measurement]
FIGS. 2 to 5 show the case where plasma is generated in the water vapor flow by changing the applied voltage V from 11 kV pp to 14 kV pp with the applied frequency f = 3 kHz and the discharge length L = 80 mm. A discharge waveform is shown.
各条件において、電圧の立ち上がりの際に放電電流が大きくなっている。これはマイクロ放電と呼ばれる現象で、誘電体バリア放電の典型的な放電状態である。すなわち、ここでは、マイクロ放電を、最大値が略一定の放電電流が放電電圧の立ち上がりの際(電圧印加の際)に短時間流れる放電形態の一種と定義する。しかしながら、図4,図5に示すように、印加電圧V≧13 kVppでは、マイクロ放電が生じた後にさらに大きな電流が瞬間的に流れる特徴的な放電状態を確認することができる。すなわち、マイクロ放電の放電電流の最大値よりもはるかに大きな電流が、放電電圧の立ち上がりの際の短時間に、マイクロ放電の放電電流に続いて流れるという、パルス状の放電状態を確認することができる。このような放電状態は、低電圧のときには形成されず、印加電圧Vを増加させることで確認することができる。一方、図6〜図9に、同条件で作動気体を空気として放電させたときの波形を示すが、空気中ではこのような放電状態は形成されない。 Under each condition, the discharge current increases at the rising edge of the voltage. This is a phenomenon called micro discharge, which is a typical discharge state of dielectric barrier discharge. That is, here, micro discharge is defined as a kind of discharge form in which a discharge current having a substantially constant maximum value flows for a short time when the discharge voltage rises (when voltage is applied). However, as shown in FIGS. 4 and 5, when the applied voltage V ≧ 13 kV pp , it is possible to confirm a characteristic discharge state in which a larger current instantaneously flows after the micro discharge has occurred. That is, it is possible to confirm a pulsed discharge state in which a current much larger than the maximum value of the discharge current of the micro discharge flows following the discharge current of the micro discharge in a short time when the discharge voltage rises. it can. Such a discharge state is not formed when the voltage is low, and can be confirmed by increasing the applied voltage V. On the other hand, FIGS. 6 to 9 show waveforms when the working gas is discharged as air under the same conditions, but such a discharge state is not formed in the air.
図10〜図13に、印加電圧V=13 kVpp,放電部長さL=80 mm とし、印加周波数fを1,2,4,5 kHzに変化させて、水蒸気流中にプラズマを発生させたときの放電波形を示す。
これら4つの条件のもの及び図4におけるf=3 kHz のものを比較すると、低周波に比べて高周波の場合の方が電流の最大値が大きいことが分かる。
10 to 13, the applied voltage V = 13 kV pp , the discharge length L = 80 mm, the applied frequency f was changed to 1, 2, 4, 5 kHz, and plasma was generated in the water vapor flow. The discharge waveform is shown.
Comparing these four conditions and f = 3 kHz in FIG. 4, it can be seen that the maximum value of the current is higher at the high frequency than at the low frequency.
以上の放電波形より得られた各条件における放電電流Iの最大値を図14に示す。印加電圧Vが12 kVpp以下では、各印加周波数fにおいて放電電流値I=2.8 mA 程度でほぼ一定となる。なお、作動気体を空気とした場合もこれとほぼ同程度の電流値となっている。ところが、印加電圧Vを13 kVpp以上にすると放電電流Iが増大する。増加する割合は低周波に比べて高周波の方が大きく、印加周波数fが3 kHz以上では、印加電圧Vが12 kVppから13 kVppに増加すると放電電流Iが倍近く増加し、およそI=6 mA となる。ただし、印加電圧Vが14 kVppになると印加周波数fによる違いはほとんど存在しない。 FIG. 14 shows the maximum value of the discharge current I under each condition obtained from the above discharge waveform. When the applied voltage V is 12 kV pp or less, the discharge current value I is approximately 2.8 mA at each applied frequency f, and is substantially constant. In addition, when the working gas is air, the current value is almost the same. However, when the applied voltage V is 13 kV pp or more, the discharge current I increases. The rate of increase is greater at higher frequencies than at lower frequencies, and when the applied frequency f is 3 kHz or higher, the discharge current I increases nearly twice as the applied voltage V increases from 12 kV pp to 13 kV pp. 6 mA. However, when the applied voltage V is 14 kV pp , there is almost no difference depending on the applied frequency f.
[3.1.3 放電電力の算出]
図15に、放電波形より算出した各条件における放電電力値Pを示す。前述のように、V=13 kVppになるとV=12 kVppの場合に比べて倍近い最大電流が流れることが明らかになったが、放電電力Pはそれほど顕著に増加していない。これは、大きな電流が流れる瞬間が一瞬であるために、放電電力値Pにさほど影響しなかったものと考えられる。
[3.1.3 Calculation of discharge power]
FIG. 15 shows the discharge power value P under each condition calculated from the discharge waveform. As described above, it has been clarified that when V = 13 kV pp , the maximum current almost doubled as compared with the case of V = 12 kV pp flows, but the discharge power P does not increase so significantly. It is considered that this is because the moment when a large current flows is momentary, and thus the discharge power value P is not significantly affected.
しかし、実際には、電流の増大にあわせて瞬間的に大きなエネルギーが放出されている。
f=3 kHzにおいて、印加電圧Vを11 kVppから14 kVppまで変化させると、放電電力Pは1.9,2.1,3.0,4.2 W と増加する。
図16に、同様の結果を用いて周波数fを横軸とした場合の放電電力値Pを示す。印加周波数fが増加すると放電回数も増加するので、それだけ放電電力Pも増加するものと推測できるが、印加電圧Vが14 kVppの場合を見ると、印加周波数fが3 kHz以上においては周波数fによる放電電力Pの違いはほとんど見受けられない。これは、f=5 kHzの場合に比べてf=3 kHzの場合の方が放電1回あたりのエネルギーが大きいことを表している。
However, in reality, a large amount of energy is instantaneously released as the current increases.
When the applied voltage V is changed from 11 kV pp to 14 kV pp at f = 3 kHz, the discharge power P increases to 1.9, 2.1, 3.0, and 4.2 W.
FIG. 16 shows the discharge power value P when the frequency f is on the horizontal axis using the same result. Since the number of discharges increases as the applied frequency f increases, it can be estimated that the discharge power P increases accordingly. However, when the applied voltage V is 14 kV pp , the frequency f is increased when the applied frequency f is 3 kHz or more. The difference in the discharge power P due to is hardly seen. This indicates that the energy per discharge is larger in the case of f = 3 kHz than in the case of f = 5 kHz.
図17に、印加周波数f=3 kHz,長さL=80 mmとして印加電圧Vを変化させたときの、水蒸気流中及び空気中での放電電力Pを示す。同条件においても、空気中で放電させた場合に比べて水蒸気流中で放電させた場合の方が放電電力Pが大きくなる。 FIG. 17 shows the discharge power P in the water vapor flow and in the air when the applied voltage V is changed with the applied frequency f = 3 kHz and the length L = 80 mm. Even under the same conditions, the discharge power P is larger when discharged in a water vapor flow than when discharged in air.
[3.1.4 放電部の観察]
図18〜図20に、印加周波数fを3 kHzの一定値とし、印加電圧Vを16〜18 kVppに変化させて(f=3 kHz,V=16〜18 kVpp)、水蒸気流中にプラズマを発生させたときの放電部20の管断面写真をグレースケールで示す。水蒸気中にプラズマを発生させると、ぼんやりと白い放電領域を確認することができる。なお、図18〜図20の管断面写真はグレースケールで示されているが、これをカラースケールでみると、放電領域は青白く発光していることが確認できる。印加電圧Vが増加すると、放電領域は徐々に管壁へと拡大する。つまり、図18に示すV=16 kVppの場合ではワイヤ電極21の付近のみに観測された放電領域が、図20に示すV=18 kVppの場合では管10の管壁まで到達している。
[3.1.4 Observation of discharge section]
18 to 20, the applied frequency f is set to a constant value of 3 kHz, and the applied voltage V is changed to 16 to 18 kV pp (f = 3 kHz, V = 16 to 18 kV pp ). The tube cross-sectional photograph of the discharge part 20 when plasma is generated is shown in gray scale. When plasma is generated in water vapor, a faint white discharge area can be confirmed. The tube cross-sectional photographs in FIGS. 18 to 20 are shown in gray scale, but when this is viewed in color scale, it can be confirmed that the discharge region emits light blue. As the applied voltage V increases, the discharge region gradually expands to the tube wall. That is, when V = 16 kV pp shown in FIG. 18, the discharge region observed only near the wire electrode 21 reaches the tube wall of the tube 10 when V = 18 kV pp shown in FIG. 20. .
また、図21に、印加周波数fを3 kHz,印加電圧Vを13 kVppとしたとき(f=3 kHz,V=13 kVpp)の、空気中で放電させたときの管断面写真をグレースケールで示す。空気中では、V=13 kVppでも放電が管壁に到達していることから、空気中に比べると水蒸気中の方が電離ポテンシャルが高いと言える。これは、空気では水蒸気より放電が容易な窒素が主成分であるためである。また、図21の管断面写真をカラースケールでみると、空気中では放電領域の色は紫となっている.これは、水蒸気の組成がH及びOのみであることに対し、空気中には様々な気体が含まれているので、それらの影響、特に窒素の有無による違いであると考えられる。 FIG. 21 shows a gray cross-sectional photograph of the tube when discharged in air when the applied frequency f is 3 kHz and the applied voltage V is 13 kV pp (f = 3 kHz, V = 13 kV pp ). Shown in scale. In air, since the discharge reaches the tube wall even at V = 13 kVpp, it can be said that the ionization potential is higher in water vapor than in air. This is because air is mainly composed of nitrogen, which is easier to discharge than water vapor. Further, when the tube cross-sectional photograph of FIG. 21 is viewed on a color scale, the color of the discharge region is purple in the air. This is because the composition of water vapor is only H and O, whereas since various gases are contained in the air, it is considered that the difference is due to their influence, particularly the presence or absence of nitrogen.
図22〜図25に、印加電圧Vを18 kVppの一定値とし、印加周波数fを1〜5 kHzに変化させて(f=1〜5 kHz,V=18 kVpp)、水蒸気流中にプラズマを発生させたときの放電部20の管断面写真を示す。印加周波数fを増加させることで放電領域は管周方向に向かって拡散する。これは、印加周波数fが増加することで単位時間当たりの放電回数が増加したためである。 22 to 25, the applied voltage V is set to a constant value of 18 kV pp , and the applied frequency f is changed to 1 to 5 kHz (f = 1 to 5 kHz, V = 18 kV pp ). The tube cross-section photograph of the discharge part 20 when plasma is generated is shown. By increasing the applied frequency f, the discharge region diffuses in the tube circumferential direction. This is because the number of discharges per unit time increases as the applied frequency f increases.
[3.2 滅菌特性]
滅菌実験を行うにあたり、本実験で用いた芽胞菌に対して100 ℃の水蒸気のみによる滅菌処理を行った。この芽胞菌は100 ℃の水蒸気では滅菌されないとされており、実際に100分間の滅菌処理を行ったところ滅菌は確認されなかった。
本実験では、印加電圧V,印加周波数f及び放電部20の長さLを変化させ、大気圧の水蒸気流中にプラズマ流を発生させて滅菌実験を行い、大気圧水蒸気プラズマ流を用いた滅菌システムの可能性を検討した。以下にその結果および考察を示す。
[3.2 Sterilization characteristics]
In conducting the sterilization experiment, the spore bacteria used in this experiment were sterilized only with water vapor at 100 ° C. This spore bacterium is said not to be sterilized with water vapor at 100 ° C., and sterilization was not confirmed after 100 minutes of sterilization.
In this experiment, the sterilization experiment was performed by changing the applied voltage V, the applied frequency f, and the length L of the discharge unit 20 to generate a plasma flow in the atmospheric water vapor flow, and sterilization using the atmospheric water vapor plasma flow. The possibility of the system was examined. The results and discussion are shown below.
[3.2.1 印加電圧の影響]
図26に、印加周波数fを3 kHz,放電部20の長さLを57 mm とし、印加電圧Vを11〜15 kVpp に変化させたとき(f=3 kHz,L=57 mm,V=11〜15 kVpp)の大気圧水蒸気プラズマ流による滅菌結果を示す。印加電圧Vが12 kVpp の比較的小さい場合には、滅菌効果はほとんど確認されない。印加電圧Vが13 kVpp以上では、滅菌処理時間tを長くすることで滅菌効果が現れ始め、印加電圧Vが15 kVppのときには、滅菌処理時間tを20 分以上とすることで滅菌効果を確認することができる。
[3.2.1 Effect of applied voltage]
26, when the applied frequency f is 3 kHz, the length L of the discharge part 20 is 57 mm, and the applied voltage V is changed to 11 to 15 kVpp (f = 3 kHz, L = 57 mm, V = 11). The results of sterilization with an atmospheric water vapor plasma flow of ~ 15 kVpp) are shown. When the applied voltage V is relatively small at 12 kVpp, the sterilization effect is hardly confirmed. When the applied voltage V is 13 kVpp or more, the sterilization effect begins to appear by increasing the sterilization time t, and when the applied voltage V is 15 kV pp , the sterilization effect is confirmed by setting the sterilization time t to 20 minutes or more. can do.
図27に、印加周波数fを3 kHz,放電部20の長さLを80 mmとし、印加電圧V を11〜14 kVppに変化させたとき(f=3 kHz,L=80 mm,V=11〜14 kVpp)の水蒸気プラズマ流による滅菌結果を示す。この場合、滅菌効果は印加電圧Vが12 kVpp以下では確認できず、印加電圧Vが13 kVpp 以上、且つ、滅菌処理時間tが30 分以上において確認することができる。 27, when the applied frequency f is 3 kHz, the length L of the discharge part 20 is 80 mm, and the applied voltage V is changed from 11 to 14 kV pp (f = 3 kHz, L = 80 mm, V = The sterilization result by the water vapor plasma flow of 11-14 kV pp ) is shown. In this case, the sterilization effect cannot be confirmed when the applied voltage V is 12 kV pp or less, and can be confirmed when the applied voltage V is 13 kVpp or more and the sterilization treatment time t is 30 minutes or more.
このように印加電圧値Vにより滅菌効果に明確な違いが生じたのは、13 kVpp以上において確認されるパルス状の大きな電流による影響であると考えられる。放電電流の増加とはすなわち放電電力Pの増加である。これに伴いプラズマ中の電子エネルギーも増加し、ラジカルの生成量や紫外線強度などが増加したことで12 kVpp以下では得られていない滅菌効果が13 kVpp 以上では得ることができたと考えられる。また、図27の結果は、各条件につき左から順に放電部20の上流、中央、下流に設置したサンプルの滅菌結果を表している。すなわち、[+−−]であれば、上流(+),中央(−),下流(−)を表している。この結果より、同じ放電部20内においても上流側よりも下流側の方が滅菌効果が大きいことが明らかとなった。これは、放電部20でプラズマにより生成されたラジカルが水蒸気流によって下流へと輸送されることで、芽胞菌に照射されるラジカルの量が、下流側では上流側よりも多くなるためであると考えられる。 It is considered that the clear difference in the sterilization effect caused by the applied voltage value V is due to a large pulse-like current confirmed at 13 kV pp or higher. An increase in the discharge current is an increase in the discharge power P. Along with this, the electron energy in the plasma also increased, and it was considered that the sterilization effect that could not be obtained at 12 kV pp or less could be obtained at 13 kV pp or higher due to the increase in the amount of radicals generated or ultraviolet intensity. Moreover, the result of FIG. 27 represents the sterilization result of the sample installed in the upstream, the center, and the downstream of the discharge part 20 in order from the left for each condition. That is, [+-] represents upstream (+), center (-), and downstream (-). From this result, it became clear that the sterilization effect is greater on the downstream side than on the upstream side even in the same discharge part 20. This is because the radicals generated by the plasma in the discharge unit 20 are transported downstream by the water vapor flow, so that the amount of radicals irradiated to the spore bacteria is larger on the downstream side than on the upstream side. Conceivable.
[3.2.2 印加周波数の影響]
図28に、印加電圧Vを13 kVpp,放電部20の長さLを80 mmとし、印加周波数fを1〜5 kHzに変化させたとき(f=1〜5 kHz,L=80 mm,V=13 kVpp)の水蒸気プラズマ流による滅菌結果を示す。f=3 kHz及び4kHzにおいては滅菌効果を確認することができるが、その他の条件では滅菌効果を確認することができない。
[3.2.2 Effect of applied frequency]
28, when the applied voltage V is 13 kV pp , the length L of the discharge part 20 is 80 mm, and the applied frequency f is changed from 1 to 5 kHz (f = 1 to 5 kHz, L = 80 mm, The sterilization result by the water vapor plasma flow of V = 13 kV pp ) is shown. The sterilization effect can be confirmed at f = 3 kHz and 4 kHz, but the sterilization effect cannot be confirmed under other conditions.
この結果は、放電電力Pと少なからず関係していると思われる。
すなわち、V=13 kVppにおけるf=3 kHzの場合とf=5 kHzの場合とでは、放電電力Pはそれぞれ3.0 W,3.5 Wとなっており、放電1回あたりのエネルギーはf=3 kHzの場合の方が大きいと言える。これにより、プラズマ中の電子のエネルギーが増加し、f=5 kHzの場合に比べてf=3 kHzの場合の方が高い滅菌効果を得ることができたものと考えられる。
This result seems to be related to the discharge power P.
That is, when f = 3 kHz and f = 5 kHz at V = 13 kV pp , the discharge power P is 3.0 W and 3.5 W, respectively, and the energy per discharge is f = 3 kHz. It can be said that the case is larger. Thereby, the energy of electrons in the plasma is increased, and it is considered that a higher sterilization effect can be obtained when f = 3 kHz than when f = 5 kHz.
以上の結果より、大気圧水蒸気プラズマ流を用いて滅菌を行なう場合、適切な印加電圧V及び適切な印加周波数f、本実験の場合ではV=13kVpp以上、且つ、f=3 kHzにて放電を行なうことで、大気圧すなわち100℃の水蒸気中においても高い滅菌効果を得ることができることが分かった。
得られた結果を以下にまとめる。
From the above results, when sterilization is performed using an atmospheric pressure water vapor plasma flow, discharge is performed at an appropriate applied voltage V and an appropriate applied frequency f, and in this experiment, V = 13 kV pp or more and f = 3 kHz. It was found that a high sterilization effect can be obtained even in atmospheric pressure, that is, 100 ° C. water vapor.
The results obtained are summarized below.
(1)誘電体バリア放電により大気圧水蒸気プラズマ流を発生させると、空気中の放電では見られない大きな電流が瞬間的に流れる。本実験では印加電圧Vを13 kVpp以上とした場合にそのような放電状態が形成された。印加周波数f=3 kHzにおいて、印加電圧Vが12 kVppから13 kVppに増加すると最大放電電流Iが2.7 mAから6.2 mAに増加する。 (1) When an atmospheric pressure water vapor plasma flow is generated by a dielectric barrier discharge, a large current that cannot be seen in a discharge in air flows instantaneously. In this experiment, such a discharge state was formed when the applied voltage V was 13 kV pp or more. When the applied voltage V increases from 12 kV pp to 13 kV pp at an applied frequency f = 3 kHz, the maximum discharge current I increases from 2.7 mA to 6.2 mA.
(2)放電電力Pは印加電圧Vと共に増加するが、印加周波数fを変化させた場合にはそれほど大きな変化は見られない。特に印加電圧V=14 kVppの場合、印加周波数fが3 kHz以上においては印加周波数fによる違いはほとんど見られない。すなわち、5 kHzに比べて3 kHzの場合の方が放電1回あたりのエネルギーが大きいことを表している。f=3 kHz,V=14 kVpp,L=80 mmとして大気圧水蒸気プラズマ流を発生させたときの放電電力Pは3.0 Wである。 (2) Although the discharge power P increases with the applied voltage V, no significant change is observed when the applied frequency f is changed. In particular, when the applied voltage V = 14 kV pp , the difference due to the applied frequency f is hardly seen when the applied frequency f is 3 kHz or more. That is, the energy at one discharge is larger at 3 kHz than at 5 kHz. When f = 3 kHz, V = 14 kV pp , L = 80 mm and an atmospheric pressure water vapor plasma flow is generated, the discharge power P is 3.0 W.
(3)大気圧水蒸気プラズマ流を用いて滅菌を行なう場合、f=3 kHz,L=80 mmの条件では、印加電圧Vが13 kVpp以上、且つ、滅菌処理時間tが30分以上において滅菌効果が得られる。滅菌効果は印加周波数fに影響され、f=3 kHz,4 kHz以外の周波数では滅菌効果を確認することができない。 また、水蒸気流中では同じ放電部20内においても上流側よりも下流側の方が滅菌効果が大きい。 (3) When sterilization is performed using an atmospheric pressure water vapor plasma flow, sterilization is performed at an applied voltage V of 13 kV pp or more and a sterilization treatment time t of 30 minutes or more under the conditions of f = 3 kHz and L = 80 mm. An effect is obtained. The sterilization effect is affected by the applied frequency f, and the sterilization effect cannot be confirmed at frequencies other than f = 3 kHz and 4 kHz. In addition, in the same water discharge portion 20 in the water vapor flow, the sterilization effect is greater on the downstream side than on the upstream side.
[その他]
以上、本発明のプラズマ滅菌装置の一実施形態とその実験方法及び実験結果とについて説明したが、本発明のプラズマ滅菌装置は、上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
例えば、上記実施形態では、管10は石英ガラスから形成されたが、誘電体として機能しさえすれば、石英ガラス以外の材料により形成されていても良い。例えば、管10は、PFAやFEP等のフッ素樹脂,ポリイミド樹脂等の絶縁性ポリマー,DLCやチタン酸バリウム等の絶縁性無機物であっても良い。
[Others]
As mentioned above, although one embodiment of the plasma sterilization apparatus of the present invention, its experimental method, and the experimental result have been described, the plasma sterilization apparatus of the present invention is not limited to the above-described embodiment and is within the scope of the present invention. Various modifications are possible.
For example, in the above embodiment, the tube 10 is made of quartz glass. However, the tube 10 may be made of a material other than quartz glass as long as it functions as a dielectric. For example, the tube 10 may be made of a fluororesin such as PFA or FEP, an insulating polymer such as polyimide resin, or an insulating inorganic material such as DLC or barium titanate.
また、上記実施形態では、接地電極22は円筒状に形成されて管10の全外周に接着されたが、例えば断面が半円状に形成されて、管10の全外周のうちの一部に対して接着されていても良い。 Further, in the above embodiment, the ground electrode 22 is formed in a cylindrical shape and bonded to the entire outer periphery of the tube 10. However, for example, the cross section is formed in a semicircular shape, and a part of the entire outer periphery of the tube 10 is formed. It may be adhered to.
1 プラズマ滅菌装置
10 管
11 シリコンチューブ
12 ビーカー
20 放電部
21 ワイヤ電極(第一電極)
22 接地電極(第二電極)
30 水蒸気発生部
31 フラスコ
32 ヒーター
33 シリコンチューブ
40 電圧発生部
41 ファンクションジェネレータ
42 デジタルオシロスコープ
43 高電圧電力増幅器
50 Auto-Reader(滅菌判定器)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Plasma sterilizer 10 Tube 11 Silicon tube 12 Beaker 20 Electric discharge part 21 Wire electrode (1st electrode)
22 Ground electrode (second electrode)
30 Water Vapor Generation Unit 31 Flask 32 Heater 33 Silicon Tube 40 Voltage Generation Unit 41 Function Generator 42 Digital Oscilloscope 43 High Voltage Power Amplifier 50 Auto-Reader (Sterilization Judgment Device)
Claims (4)
該管の他端に接続され、該管の内部へ流通させるための水蒸気を発生させる水蒸気発生部と、
該管の中途に設けられ、該管の内部で誘電体バリア放電を起こす放電部と、
該誘電体バリア放電に係る交流電圧を該放電部へ印加する電圧発生部とを備え、
該放電部が、該管の内部に挿入された第一電極と、該管の外周に配置され接地された第二電極とを有し、
該電圧発生部が、該第一電極と該第二電極との間に該交流電圧を印加し、
該管が、円筒状に形成され、
該第二電極が、円筒状をなして該管の外周に配置され、
該第一電極が、線状に形成され、第二電極の筒軸に対し偏心して配置され、
該電圧発生部が、該放電部へ印加される矩形波の該交流電圧が立ち上がる際に放電電流が流れた後に該放電電流の最大値よりもさらに大きな電流が瞬間的に流れる放電状態となる、所定電圧以上の交流電圧を該放電部へ印加し、
該水蒸気発生部が、該管の内部を水蒸気で満たす
ことを特徴とする、プラズマ滅菌装置。 A pipe made of a dielectric material, one end of which is opened to the atmosphere, and an object to be sterilized is placed inside,
A water vapor generating part connected to the other end of the pipe for generating water vapor to be circulated into the pipe;
A discharge part provided in the middle of the tube and causing a dielectric barrier discharge inside the tube;
A voltage generation unit that applies an AC voltage related to the dielectric barrier discharge to the discharge unit ;
The discharge part has a first electrode inserted into the tube, and a second electrode arranged on the outer periphery of the tube and grounded,
The voltage generator applies the alternating voltage between the first electrode and the second electrode;
The tube is formed in a cylindrical shape;
The second electrode is arranged on the outer periphery of the tube in a cylindrical shape;
The first electrode is formed in a linear shape and is arranged eccentrically with respect to the cylinder axis of the second electrode,
The voltage generator is in a discharge state in which a current larger than the maximum value of the discharge current instantaneously flows after the discharge current flows when the AC voltage of the rectangular wave applied to the discharge unit rises. Apply an alternating voltage of a predetermined voltage or higher to the discharge part,
The plasma sterilization apparatus, wherein the water vapor generating unit fills the inside of the tube with water vapor .
ことを特徴とする、請求項1記載のプラズマ滅菌装置。 The voltage generating unit, an alternating voltage with a frequency of 3 to 4 kHz the energy per unit due to discharge time is more than 3.0W and applying to said discharge unit, according to claim 1 Symbol placement of the plasma sterilizer .
該管の他端から該管の内部へ水蒸気を供給し、該管の内部を該水蒸気で満たす第二工程と、
電極間に交流電圧を印加し、該管の内部に誘電体バリア放電を起こして該水蒸気をプラズマ化する第三工程とを備え、
該第一工程において、該管の内部に第一電極を挿入し、且つ、接地された第二電極を該管の外周に配置し、
該第三工程において、該第一電極と該第二電極との間に交流電圧を印加し、該誘電体バリア放電を起こし、
該第一工程において、該管を円筒状に形成するとともに、該第二電極を円筒状に形成して該管の外周に配置し、且つ、該第一電極を線状に形成して該第二電極の筒軸に対し偏心して配置し、
該第三工程において、該放電部へ印加される矩形波の該交流電圧が立ち上がる際に放電電流が流れた後に該放電電流の最大値よりもさらに大きな電流が瞬間的に流れる放電状態となる、所定電圧以上の交流電圧を印加し、該誘電体バリア放電を起こす
ことを特徴とする、プラズマ滅菌方法。 A first step of disposing an object to be sterilized in a tube made of a dielectric material and having one end open to the atmosphere;
A second step of supplying water vapor from the other end of the pipe to the inside of the pipe, and filling the inside of the pipe with the water vapor ;
A third step of applying an AC voltage between the electrodes, causing a dielectric barrier discharge inside the tube to turn the water vapor into plasma, and
In the first step, a first electrode is inserted into the tube, and a grounded second electrode is disposed on the outer periphery of the tube,
In the third step, an alternating voltage is applied between the first electrode and the second electrode to cause the dielectric barrier discharge,
In the first step, the tube is formed in a cylindrical shape, the second electrode is formed in a cylindrical shape and disposed on the outer periphery of the tube, and the first electrode is formed in a linear shape to form the first electrode. Placed eccentric to the cylinder axis of the two electrodes,
In the third step, after the discharge current flows when the AC voltage of the rectangular wave applied to the discharge portion rises, a discharge state in which a current larger than the maximum value of the discharge current instantaneously flows is obtained. A plasma sterilization method, wherein an AC voltage higher than a predetermined voltage is applied to cause the dielectric barrier discharge .
ことを特徴とする、請求項3記載のプラズマ滅菌方法。 In said third step, the energy per unit due to discharge time is greater than or equal to 3.0 W, 3 by applying an AC voltage of a frequency within to 4 kHz, and wherein the causing dielectric barrier discharge, claim 3 The plasma sterilization method described.
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