JP7753314B2 - プラズマフィルタ装置、電極装置およびプラズマフィルタ装置の作動方法 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つの電極装置を有するプラズマフィルタ装置、電極装置並びにプラズマフィルタ装置の作動方法に関する。

コロナウイルスのパンデミック以前にも既に、エアロゾルによる病原体の伝播の予防は病院衛生上の課題であった。これまで細菌や粒子の減少は手術室、検査室、隔離室などの特定の部屋でしか行われてこなかった。しかしパンデミックのため、換気と空調システムの併用による病原体を含まない換気の需要がますます重要になってきている。現在存在する様々な市販のフィルタ解決策は、プラズマ、ＵＶＣ放射および例えばＨＥＰＡ等の追加フィルタとの組み合わせであり、建物、自動車、航空機または列車のような閉鎖環境内の室内空気の調整用に提供されている。

様々な用途のための極めて特殊な要件のために、市場で利用可能な解決策は、ろ過すべきガスの流れのメカニズムまたはろ過装置のサイズに関して難点を有する。さらに既存の解決策は、提供されるフィルタユニットによって、およびＨＥＰＡのような追加のフィルタ部材の定期的な交換および廃棄によって、高コストを生じる恐れがある。

したがって、現在使用されているフィルタによる解決策の効果的かつ効率的な採用および最適化は、限定的であるかまたは不可能である。

従来技術による公知のフィルタ装置は、例えば機械的空気フィルタを含む。

実際に室内空気の機械的ろ過は、特に病院や他の医療施設において室内空気を清潔に保ち殺菌するために非常に重要である。最近の建物の空気洗浄システムには、例えば塵埃の事前ろ過と、例えば微生物汚染のための高効率ろ過から成る、多段的なフィルタ装置が使用されている。手術用には、これらを機械的装置と組み合わせて、患者の上に空気の層流（乱流のない）を作り出すようにしている。今日の手術室設備（いわゆる換気・空調システム）では新鮮な空気が導入されるが、これらの空気は冬季には大量のエネルギーを使って通常の室温（２０～２２度）まで加熱しなければならない。

少なくとも９９．９５％の分離度により高効率ＨＥＰＡフィルタは、粒子汚染のほかに細菌やウイルスを効果的に抑えることができる。しかしＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２ウイルスは、これらのフィルタを通過できるメソスケールのエアロゾルにも存在する。特にこれらの細かいエアロゾルは、空気中で長い滞留時間を有する。

建物については、２０２１年のパンデミックにおいてＨＥＰＡフィルタによる換気の改善が提案された。これにより大規模で費用のかかるシステムの拡大がもたらされた。これはまた、圧力損失を補償することによってエネルギーバランスを著しく悪化させるとともに、流速の増加を介して騒音の放出を増加させることにもなる。

航空機に対しては、空気を清浄にするためにＨＥＰＡユニットを備えたセントラルフィルタシステムが使用されている。サイズ、重量、およびエネルギー消費は、この換気システムにより航空機の全体的性能に影響を及ぼしている。自動車／バス／列車の車両は、空気の除染を可能にするのに適していない単純なフィルタ技術を備えた中央空調室のみで構成されている。

機械的フィルタ装置だけでなく、空気の除染のためのＵＶＣまたはプラズマをベースとする方法を可能にするフィルタ装置も使用されている。

現行のオゾン発生器、イオナイザまたはプラズマシステムは、包括的な相互作用チャンバで構成されている。例えば室内空気をＵＶランプで除染するために、低速から中程度の空気流を有するトンネル状のシステムが使用されている。これによって初めて高い除染率を得ることができる。したがって、これらすべてのフィルタ装置に共通することは、拡張された立方体形状または空間的に長手方向に設計された中央ユニットとして使用されることである。

近年は表面除染のためにモバイル表面除染装置または固定ＵＶＣランプが使用されている。市販されているこれらの解決手段の欠点は、例えば設置スペース、ＥＭＶまたは空気の流れの条件に関する要件に従って、例えば医療用画像装置などに実装することにある。

市場に出ている解決策は電磁放電とラジカルによる比較的ゆっくりとした殺菌効果に基づいている。

したがって、より進んだ解決策は、ＵＶＣベースの方法と生成されたプラズマを組み合わせたものである。ＵＶＣに基づく方法では、空気の効果的かつ効率的な除染に必要な線量が、使用したＵＶＣ源の波長と、対応するフィルタユニットにおける室内空気の滞留時間に大きく依存する。ＵＶＣ放射線による表面除染からの経験から、高度の病原菌除去の保証のためには、距離と線量に関係した長い照射時間が必要なことが示されている。

医療機器に関しては、特許文献１から自動洗浄機能付きＣＴ装置が知られている。ここで開示されているのは、ＵＶＣ、プラズマまたはオゾンに基づくＣＴ装置用の滅菌ユニットである。

中国実用新案ＣＮ２０３５２４６８６号公報

本発明の課題は、空気のより効率的な除染を可能にするフィルタ装置を提供することである。

この課題は、独立請求項のそれぞれの内容によって解決される。実施形態の有利な展開および好ましい形態は、従属請求項の対象である。

本発明の第１の態様は、少なくとも１つの電極装置を有するプラズマフィルタ装置に関する。プラズマフィルタ装置は、ガスをろ過するためのフィルタ装置を含み、ガス例えば空気のろ過のためにプラズマが生成される。生成されたプラズマによってＵＶ線が放射され、これによって例えばガス中に見出されるエアロゾルまたは細菌が不活性化されるか、または粒子が不活性化される。

電極装置が、平面的に形成された第１の複合電極と、平面的に形成された第２の複合電極とを有するようにされる。複合電極は例えば均一で対称的な部材を含み、これらの部材は非対称の電磁ポテンシャル輪郭内に配置することができる。換言すれば、電極装置は第１の複合電極および第２の複合電極を備える。電極装置の複合電極は、特に平面状部材として構成することができる。電極装置の複合電極は、電極装置の主平面内で互いに同一平面上に配置されかつ放電ギャップによって空間的に互いに分離される。すなわち電極装置の複合電極は、電極装置の主平面内に位置している。電極装置の複合電極間に位置するのは放電ギャップである。放電ギャップは、ろ過すべきガスの通過のために複合電極によって形成される電極装置のギャップである。それぞれの複合電極は、放電ギャップとの少なくとも１つの境界面上にそれぞれ誘電体コーティングを有するそれぞれの電極シートを有するようにされる。換言すれば、電極は複合体として提供され、この複合体はそれぞれ電極シートとそれぞれの電極シート上に位置する誘電体コーティングとを含むようにされる。誘電体コーティングは、少なくとも放電ギャップに隣接するそれぞれの複合電極の境界面で電極シート上に載置される。

プラズマフィルタ装置は電圧源を有し、この電圧源は交流電圧を電極装置に供給するように構成され、交流電圧は放電ギャップ内に誘電体バリア放電によってプラズマの形成を惹起するようにパラメータ化される。換言すれば、プラズマフィルタ装置は電圧源を有するようにされる。電圧源は、放電ギャップにおけるプラズマの形成を惹起するために、電極装置に交流電圧を供給するようにしている。

プラズマフィルタ装置は、ガスを電極装置の主平面の法線に平行に整列される主流れ方向に沿って、放電ギャップ内を案内するように構成される。言い換えると、プラズマフィルタ装置は例えばチューブ部材のような流れの案内部材を有し、これらの部材は、ガスが主平面の法線と平行して放電ギャップを通って誘導されるように、ガスの主流れ方向に影響を与えるかまたはそのように規定される。

この場合の主流れ方向は、電極装置の主平面の法線に平行に走る。つまり主流れ方向は電極装置に対して直角に走る。このようにガスは電極装置と直角に放電ギャップを通って流れる。誘電体放電により放電ギャップ内に形成されたプラズマのために、放電ギャップの領域でガスの除染が行われる。除染は、プラズマによって放出されるＵＶＣ線、および／またはガスが空気であるときに放電ギャップに形成されるオゾンによって行うことができる。

本発明によって生じる利点は、放電ギャップによって粒子がガス自体の分子より長く滞留する粒子トラップが提供されることである。放電ギャップの領域に長く残る粒子のために、これらはラジカルやＵＶＣ放射線のようなプラズマ作用に長時間にわたってさらされ、それによって粒子の不活性化の確率が増大する。例えばＵＶＣ出力が１００Ｗ／ｍ２、粒子の滞在時間がわずか１秒の場合、線量は１００Ｊ／ｍ２となる。コロナウイルスは既に３７Ｊ／ｍ２から９０％完全に不活化される。

本発明はまたさらなる利点を生じる別の実施形態を有する。本発明の実施形態の１つは、複合電極の各々が、電極フィンガを有するくし形構造を有するものである。言い換えれば、複合電極は、電極フィンガから成るくし形構造を含む。くし形構造は、互いに平行に整列された電極フィンガの配列であってよく、これは所定の距離だけ離間されて互いに隣り合うように配列される。電極装置の複合電極のくし形構造は、放電ギャップによって互いに係合および分離して配置される。すなわち電極装置の複合電極のくし形構造は、複合電極のうちの一方の電極フィンガ間に他方の複合電極の電極フィンガが配置されるように、互いに関連して配置される。この場合それぞれの複合電極のくし形構造の電極フィンガ間の距離は、他の電極の電極フィンガの幅よりも大きくなるように配置される。複合電極の電極フィンガは、互いに接触せずに放電ギャップによって空間的に互いに分離される。くし形構造の電極シートは、金属性または一般的に導電性の高い材料を有することができる。電極装置の複合電極の互いに係合するくし形構造により、電極装置内の放電ギャップは蛇行形状を有する。これによって生み出される利点は、一方では放電ギャップの蛇行形状により粒子トラップとしての優れた効果が他の形状よりも生じることであり、他方では完全に直線偏光された電場を有する最適な非対称的電磁ポテンシャル輪郭が生じることにある。

本発明の実施形態の１つは、各複合電極の電極シートがアルミニウムおよび／またはアルミニウム合金を有することにある。すなわち電極シートの材料は、アルミニウムまたはアルミニウム合金である。

本発明のさらなる実施形態の１つは、各複合電極の電極シートが非腐食性鋼、好ましくはステンレス鋼を有することにある。換言すれば、電極シートは、非腐食性ステンレス鋼を含む材料を有する。これは例えばクロムを含む鋼である。

本発明の別の実施形態の１つは、各複合電極の誘電体コーティングが１つまたは複数のポリマーを有するものである。言い換えれば、誘電体コーティングは１つまたは複数のポリマーを有する。特に電気的に絶縁性のポリマー材料を含む。

本発明の別の実施形態の１つは、各複合電極の誘電体コーティングが１つまたは複数のフルオロプラスチックを有することにある。言い換えると、誘電体コーティングは、フルオロポリマーを含む材料を有する。これによって生じる利点は、誘電体コーティングが比較的高い絶縁能力を持つポリマーを有することにある。

本発明の別の実施形態の１つは、各複合電極の誘電体コーティングがポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を有することにある。換言すれば、誘電体コーティングはポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を含む材料を有する。

本発明の別の実施形態の１つは、各複合電極の誘電体コーティングがポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を有することにある。言い換えれば、誘電体コーティングはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を含む材料を有する。ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の使用は、比較的高い腐食耐性と温度耐性を持つ利点がある。

本発明の別の実施形態の１つは、各複合電極の誘電体コーティングがフッ化グラファイトを有することにある。言い換えれば、誘電体コーティングはフッ化グラファイトを含む材料を有する。

本発明の別の実施形態の１つは、１つまたは複数のセラミックスを有することにある。換言すれば、誘電体コーティングは１つまたは複数のセラミックスを含む材料を有する。特に電気セラミックス群のセラミックスを含むことができる。可能なセラミックスは、例えばチタン酸塩、特にチタン酸バリウムセラミックスおよび／またはチタン酸鉛ジルコン酸塩セラミックスを含むことができる。セラミックスの使用は、比較的高い破壊強度を有する物質であるという利点を有する。

本発明の別の実施形態の１つは、各複合電極の誘電体コーティングがチタン酸バリウムを有することにある。言い換えると、誘電体コーティングは、チタン酸バリウムを含む材料を有する。チタン酸バリウムの使用は、比較的高い誘電定数を有する物質であるという利点を有する。

本発明の別の実施形態の１つは、各複合電極の誘電体コーティングがカオリナイトを有することにある。言い換えれば、誘電体コーティングは、カオリナイトを含む材料を有する。カオリナイトの使用は、比較的高い誘電定数を有する物質であるという利点を有する。

本発明の実施形態の１つは、各複合電極の誘電体コーティングが所定の割合のカオリナイト、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化クロム、チタン酸バリウムおよび／または他のセラミック粉末を含むブレンドを有することにある。言い換えると、各複合電極の誘電体コーティングは、カオリナイト、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化クロムまたはチタン酸バリウムまたは他のセラミック粉末の特定の割合を有する。言い換えると、誘電体コーティングはセラミックブレンドを含む材料を有する。ブレンドの使用は、特定の最適に適合した誘電定数を有する物質であるという利点を有する。ブレンドは混合物と呼ぶこともできる。

本発明の別の実施形態の１つは、プラズマフィルタ装置が少なくとも２つの電極装置を有することにある。すなわちプラズマフィルタ装置は、２つまたは３つ以上の電極装置を有している。プラズマフィルタ装置は、ハウジングとしてのホルダ装置を有し、このホルダ装置は、所定の電極配置に少なくとも２つの電極装置を配置するように構成され、その際所定の電極配置にある少なくとも２つの電極装置は互いに平行に整列され、主流れ方向に沿って互いに前後に配置される。所定の電極配置において隣接する電極装置は、対をなして互いに所定の距離だけ離れて配置される。換言すれば、プラズマフィルタ装置はこのようなホルダ装置により、所定の電極配置における電極装置の配置を提供するように構成される。電極装置は、ホルダ装置により互いに平行して並ぶようになっている。さらに電極装置は、これらが主流れ方向に沿って互いに前後に配置されるようにできる。電極装置は、例えば主流れ方向に沿って互いに関連してシフトされ得る。ホルダ装置は、少なくとも２つの電極装置を、これらが互いに対をなして所定の距離だけ離れるような電極配置に配置するように構成される。ホルダ装置は例えば分離フレームを有することができ、この分離フレームは、それぞれの電極装置のうちの２つの間に配置され、電極装置間の所定の間隔を予め決定することができる。この実施形態によって生じる利点は、ガスが主流れ方向に沿って互いに前後に配置された多数の電極装置を通るように導くことができ、それによってフィルタ装置を通るガスが流れている間に、多数の非活性化工程が行われることである。

本発明の別の実施形態の１つは、少なくとも２つの電極装置の隣接する電極装置を、主流れ方向に互いに９０°回転させるようにすることにある。すなわち、前後に配置された電極装置は互いに９０°回転するようにされる。たとえば、電極装置は、主平面内において放電ギャップによって予め定められたパターンと同じパターンを有するように設けることができ、このパターンは隣接する電極装置間を９０°回転するようにすることができる。これにより、主流れ方向に沿った電極装置のパターンは交差構造を形成することが可能になる。この実施形態によりもたらされる利点は、エアロゾル、有利には浮遊エアロゾルの滞留時間を隣接する電極装置において増加できることにある。

本発明の別の実施形態の１つは、プラズマフィルタ装置が少なくとも１つのダストフィルタを備えることにある。少なくとも一つのダストフィルタは、電極装置の前に主流れ方向に対して配置される。換言すればプラズマフィルタ装置は、ガスが電極装置を通って案内される前に、ガスを主流れ方向に沿ってダストフィルタを通って案内するように構成される。ダストフィルタは例えば、フィルタリングのためにガスが通されるメッシュを有する機械的ダストフィルタを含むことができる。静電粉塵フィルタとすることもできる。この実施形態によりもたらされる利点は、粒子や汚れ、あるいはより大きな粒子がダストフィルタによって捕捉され、塵埃や不純物による電極装置の閉塞を遅らせたり防止したりすることができることにある。

本発明の別の実施形態の１つは、プラズマフィルタ装置が少なくとも１つの活性炭フィルタを有することにある。少なくとも１つの活性炭フィルタが主流れ方向に対して電極装置の後に配置されるように設けられる。換言すれば、プラズマフィルタ装置は、ガスが主流れ方向に電極装置を通流後に少なくとも１つの活性炭フィルタを通って案内されるように構成される。この実施形態によってもたらされる利点は、プラズマ中に形成されるおそれのある特定の望ましくない短寿命のラジカル（プラズマ特有の一過性の電荷運搬イオン／分子／原子）が、活性炭フィルタにより中性再結合によって触媒的に除去され得ることにある。例えば放電ギャップにおけるプラズマの形成によりオゾンが形成され得る。しかし特定の状況ではオゾンの排出は望ましくない。活性炭フィルタを用意することにより発生したオゾンが再結合され、その結果プラズマフィルタ装置から出るガスのオゾン成分を触媒的に清浄空気として耐えられる量まで減少させることができる。

本発明の第２の対象は、プラズマフィルタ装置のための電極装置に関する。電極装置は、ガス除染用のプラズマフィルタ装置に配置される。

電極装置は、平面的に形成された第１の複合電極と、平面的に形成された第２の複合電極とを有するようにされる。換言すれば電極装置は、第１の複合電極および第２の複合電極を備える。電極装置の複合電極は、特に平面部材として構成することができる。電極装置の複合電極は電極装置の主平面において電極装置の複合電極が互いに共平面状に配置され、放電ギャップによって空間的に互いに分離するようにされる。換言すれば、電極装置の複合電極は電極装置の主平面内に位置している。電極装置の複合電極間には放電ギャップが設けられる。放電ギャップは、ろ過すべきガスの通流のために複合電極によって形成される電極装置のギャップである。各複合電極はそれぞれ電極シートを有し、このシートは放電ギャップとの電極シートの少なくとも１つの境界面上にそれぞれ誘電体コーティングを有するようにされる。換言すれば、電極は、それぞれの電極シートとそれぞれの電極シート上にある誘電体コーティングとを含む複合体として用意される。誘電体コーティングは、それぞれの複合電極のうちの少なくとも１つに、放電ギャップに隣接する境界面で電極シート上に載置される。

本発明の電極装置のさらに別の実施形態は、本発明のプラズマフィルタ装置の種々の実施形態に従うものである。

本発明の第３の態様は、プラズマフィルタ装置の作動方法に関する。

プラズマフィルタ装置は、少なくとも１つの電極装置を有し、この電極装置は、平面状に形成された第１の複合電極と、平面状に形成された第２の複合電極とを有する。換言すれば、電極装置は第１の複合電極および第２の複合電極を備える。電極装置の複合電極は、特に平面部材として構成することができる。電極装置の複合電極は電極装置の主平面内で互いに共平面状に配置され、かつ放電ギャップにより空間的に互いに分離されるようにされる。換言すれば、電極装置の複合電極は電極装置の主平面内に位置している。電極装置の複合電極間には放電ギャップが設けられる。この放電ギャップは、ろ過すべきガスの通流のために複合電極によって形成される電極装置のギャップである。各複合電極はそれぞれ電極シートを有し、このシートは各電極シートの放電ギャップと少なくとも１つの境界面上にそれぞれ誘電体コーティングを有するようにされる。換言すれば電極は、それぞれの電極シートとそれぞれの電極シート上にある誘電体コーティングとを含む複合体として構成される。誘電体コーティングは、少なくとも放電ギャップに隣接する各複合電極の境界面上で電極シートに載置される。

この方法では、プラズマフィルタ装置の電圧源により好ましくは、増加した交流電圧範囲（１００～１０００Ｈｚ）またはより低い高周波数範囲（キロヘルツ）、およびまたは高および最高周波数範囲（１ＧＨｚ～１００ＧＨｚ）の交流電圧が電極装置に提供され、それによってプラズマが誘電体バリア放電に基づいて放電ギャップ内に惹起されて形成される。プラズマフィルタ装置によって、ガスは、電極装置の主平面の法線に平行に整列された主流れ方向に沿って、放電ギャップを通って導かれる。プラズマのためにガスの除染が生じ、例えば細菌が死滅する。

本発明の方法の実施形態のさらに別の形態は、本発明のプラズマフィルタ装置および電極装置の種々の実施形態に従う。

本発明のさらなる特徴は、請求項、図面および図面の説明から明らかである。本明細書に記載された特徴および特徴の組合せ、並びに図面の説明中に以下に記載される特徴およびそれらの組合せは、単に明記された組合せだけでなく、本発明の他の組合せにも含めることができる。本発明の特徴の特定の実施形態および組合せは、本来述べられた請求項のすべての特徴を有していないものを含めることができる。さらに、本発明の実施形態および特徴の組合せは、請求項を参照して述べられた特徴の組合せを超えているか、またはこれから逸脱している発明も含めることができる。

本発明は、具体的な例示的な実施形態および関連する概略図を用いて、以下により詳細に説明される。なお図中において同一または同一の機能を有する部材には同じ符号が与えられる。同一部材または同じ機能を持つ部材の説明は、複数の図に関して必ずしも繰り返されるとは限らない。

プラズマフィルタ装置の電極装置の概略図である。 電極装置の概略図である。 電気電極装置を示す概略図である。 プラズマフィルタ装置の概略図である。 プラズマフィルタ装置の概略図である。 プラズマフィルタ装置を通る空気流量のシミュレーション概略図である。 電極装置を通るエアロゾルの透過概略図である。 ２つの電極装置を通るエアロゾルの透過概略図である。 電極装置の可能な配置例の概略図である。

図１は、プラズマフィルタ装置のための電極装置の概略図を示す。

プラズマフィルタ装置１の電極装置２は、第１の複合電極３および第２の複合電極４を有することができる。第１の複合電極３および第２の複合電極４は、電極装置２の主平面１３内にあって平面形状であってもよい。第１の複合電極３と第２の複合電極４とは、例えば互いに同一平面状に配置できる。複合電極３、４は一枚の元板から作られ、元板に放電ギャップ９を設けることによって第１の電極シート５と第２の電極シート６に分けることができ、この場合第１の電極シート５と第２の電極シート６は放電ギャップ９によって互いに分離することができる。２つの複合電極３、４は、それぞれ電極シート５、６を有することができ、これらのシートをそれぞれの誘電体コーティング７、８でコーティングすることができ、それによってそれぞれの電極を複合体とすることができる。それぞれ複合電極３、４の電極シート５、６は、例えばアルミニウム、アルミニウム合金および／またはステンレス鋼を材料として有することができる。また各複合電極３、４の誘電体コーティング７、８は、少なくとも各複合電極３、４と放電ギャップ９との境界面上で各電極シート５、６に施すことができる。誘電体コーティング７、８の役目は、適切にパラメータ化された交流電圧が電極装置２に印加されたときに、放電ギャップ９内に誘電体放電を可能にすることにある。誘電体コーティング７、８は、その材料として１つまたは複数のポリマーを有することができる。ポリマーは、例えばフルオロプラスチック、特にポリビニリデンジフルオリドおよび／またはポリテトラフルオロエチレンを有することができる。少なくとも１つのポリマーにフッ化グラファイトを混合することができる。誘電体コーティング７、８はまたその材料として、１つまたは複数のセラミック、特にチタン酸バリウムを有することができる。

図２は、電極装置の概略図を示す。

図２は、電極装置２の複合電極３、４のくし形構造を示す。電極装置２の第１の複合電極３は電極フィンガを備えることができるくし形構造を有することができ、この電極フィンガは互いに平行にかつ離間して配置することができる。これに対応して電極装置２の第２の複合電極４も、複合電極３、４の間の空間に係合することができる電極フィンガを備えたくし形構造を有することができる。また各複合電極３，４の電極フィンガは、放電ギャップ９によって互いに離間することができる。電極シート５、６の表面は、少なくとも放電ギャップ９の領域に誘電体コーティング７、８を有することができる。くし形構造は、電極フィンガのそれぞれの中心線に沿って電極シート５、６に載置することができる、誘電体からなる誘電体ギャップ１０を備えることもできる。

図３は、電気電極装置の作動状態の概略図を示す。

図は２つの電極装置２を示しており、これらはプラズマフィルタ装置１を貫通するガスの主流れ方向１２に対して前後に配置することができる。プラズマフィルタ装置１は、第１の電極装置２および第２の電極装置２を介してガスの主流れ方向１２に沿って除染すべきガスを搬送するために設けることができ、主流れ方向１２は電極装置２の主平面１３の法線と平行に整列させることができる。図は、貫流ガスに内在する粒子のｍ／ｓ単位の速度量の分布を示す。電極装置２に関連して主流れ方向１２の垂直方向の整列のため、電極装置２の放電ギャップ９を通ってガスが誘導される。図示されていない電圧源２２によって電極装置２に交流電圧を供給することができ、これは誘電体放電による放電ギャップ９内のプラズマ１１の形成を導くことができる。プラズマ１１は、ガス内のエアロゾルを不活性化する紫外線を放出することができる。不活性化はエアロゾル中で特定の化学反応を引き起こすことを含むことができ、これによって例えば細菌を死滅させることができる。電極装置２は、ホルダ装置２０によって所定の電極配置にすることができ、距離１５だけ互いに隔てることができる。速度量のマッピングでは、２つの電極装置２の周囲で速度が最小であることが分かる。これは、図２に記載された放電ギャップ９の蛇行形状により放電ギャップ９が粒子トラップとして機能し、それによってガス粒子がそれぞれの放電ギャップ９に長時間滞留することになる。粒子が放電ギャップ９にとどまる時間が大きいため、粒子はプラズマ１１、ひいては紫外線に長時間さらされることになる。

図４は、プラズマフィルタ装置の概略図を示す。

プラズマフィルタ装置１は、主流れ方向１２に対して電極装置２の前に配置することができるダストフィルタ１６を有することができる。ダストフィルタ１６は、電極装置２を通過する前に、プラズマフィルタ装置１を通過するガスからダスト粒子またはより大きなエアロゾルをろ過して、電極装置２の閉塞および／または汚染を防止またはスローダウンするために備えることができる。第１の電極装置２は、ダストフィルタ１６の後方に配置することができる。電極装置２は前述の蛇行構造を有し、電極フィンガをｘ方向に沿って整列させることができる。第１の電極装置２の後方に別の電極装置２を配置することができ、これは第１の電極装置２から分離フレーム１７によって所定の距離１５だけ離間して配置される。第２の電極装置２は、ｚ方向の規準線から９０°回転させることができる。この位置合わせにおいて、電極フィンガは例えばｙ方向に平行に位置合わせすることができる。第１の電極装置２に対して後段の電極装置２を回転させることにより、プラズマフィルタ装置１の放電ギャップ９における粒子が滞留する時間を、電極装置２を互いに回転させないプラズマフィルタ装置１と比較して長くすることができる。第２の電極装置２の後方にはガスが流れる活性炭フィルタ１８を配置することができる。活性炭フィルタ１８は、プラズマ１１中に形成され得るオゾン分子をガスからろ過するために設けられる。

図５は、フィルタ装置の概略図を示す。

プラズマフィルタ装置１はホルダ装置２０を有することができ、このホルダ装置は電極装置２、ダストフィルタ１６および活性炭フィルタ１８を所定の位置に配置するように設けることができる。ホルダ装置に給電点１９を配置することができ、これにより電極装置２に電圧源２２の交流電圧を供給することができる。主流れ方向１２に沿ったガスの流通を達成するために、１つまたは２つの管２１または一般的なガイド部材を、プラズマフィルタ装置１上に配置することができ、これはホルダ装置２０上のフランジを介して配置することができる。

図６は、プラズマフィルタ装置を通る空気流量のシミュレーションの概略図を示す。

図示されているのはこのプラズマフィルタユニットを通る空気流量のシミュレーションであり、単位はｍ／秒である。

図７は、電極装置を通るエアロゾルの透過概略図を示す。

図７は、電極装置２を６００秒で通過する０．３μｍのエアロゾルの透過概略図を示す。シミュレーションは、０．３μｍのエアロゾルが蛇行放電ギャップ９において比較的長時間滞留することを示している。図はエアロゾルの速度をｍ／ｓで示したものである。

図８は、２つの電極装置を通るエアロゾル透過概略図を示す。

図は、２つの電極装置を６００秒で通る際の０．３μｍのエアロゾルの透過概略図を示す。図にはエアロゾルの速度（ｍ／ｓ）が示されている。２つの電極装置２は前後に配置され、互いに９０°回転させられている。２つの電極装置２を備えるプラズマフィルタ装置１では、１つの電極装置２を備えるプラズマフィルタ装置１における滞留時間に比べて、粒子は長く滞留することが分かる。これは、図７と図８を比較することによって見ることができる。

図９は、電極装置２の種々の可能な配置の概略図を示す。

電極装置２はその好ましい異方性方向を特徴とする。図９は、プラズマ１１のあらゆる影響を完全に抑制することができるように電極装置２を整列させる可能性を示す。この図は、磁場方向Ｂと、プラズマ流方向Ｉを有する電極装置２の方向とを有するＭＲＴ装置のヘルムホルツコイル２３を示す。

本発明の技術的特徴およびそれによって得られる利点は、定義された設計および装置を有する複合電極３、４の使用によるものである。装置は以下にプラズマフィルタ装置１と表記する。

本発明は２つの中心的な考え方を包含する。第１の中心的な考え方は、ＵＶＣ波長範囲で高い光子密度を発生させるためのプラズマ１１の生成に関するものである。第２の中心的な考え方は、新しい電極およびフィルタ設計の提供に関するものであり、これによりプラズマフィルタ装置１における層状ガス容量流からの特定のエアロゾル粒子分留のより長い滞留時間が施行される。

以下の説明は、ガスの除染のためのプラズマフィルタ装置１のレイアウトの特徴をより詳細に記述し、２つの中心的な考え方をより正確にすることを意図している。

第１の中心的な考え方は、一定の電極設計を使用するプラズマ１１の生成に関する。この中心的な考え方は、２つの金属電極シート５、６の組合せにあり、これにより電極装置２の蛇行構造が提供される。電極装置２の２つの電極シート５、６の製造は、従来技術に従った商業的および低コストの製造方法、例えば元板の打ち抜きおよび／または切断によって製造することができる。この場合の元板は、放電ギャップ９の蛇行状の形状を元板に施すように加工される。この放電ギャップ９を介して元板を電極装置２の２枚の電極シート５、６に分割することができる。

電極装置２の２つの電極シート５、６には５～５０の範囲に規定された誘電率εを有する誘電体からなる誘電体コーティング７、８を載置することができ、それによって複合電極３、４を形成することができる。２つの電極シート５、６は、好ましくはアルミニウム、アルミニウム合金またはステンレス鋼を含むことができる。

誘電体コーティング７、８の誘電体は、例えばＰＶＤＦ、ＰＴＦＥ、および４８９ｋＪ／ｍｏｌの結合エネルギーを有する非常に高い割合のフッ化黒鉛Ｃ－Ｆを有する他のフルオロ関連分極ポリマーを有することができる。誘電体コーティング７、８の誘電体は、例えば誘電率５０を有するチタン酸バリウムなどのセラミックスを有することもできる。

シミュレーションの境界条件は、増加した誘電率１２を有するセラミックコーティング７、８であり、イプシロン＝７を有するポリマー関連の誘電体コーティング７、８との特性差が明らかである。少なくとも１つのポリマーを載置するための射出成形プロセスの技術的要件に起因して、ポリマー関連誘電体コーティング７、８の厚さは、セラミック誘電体コーティング７、８の厚さと比較してより高い。経験によれば、ポリマー関連誘電体コーティング７、８の厚さは、例えば０．５ｍｍに達することができる。セラミック誘電体コーティング７、８は例えば０．２ｍｍの厚さを有することができる。セラミック誘電体コーティング７、８は、例えばそれぞれの電極シート上に誘電体の化学気相析出によって施すことができる。

この分析は、特定の領域内でエアギャップの拡大が、プラズマ１１における析出力を有利に増加させることを示す。

プラズマフィルタ装置１は、複合電極３、４からなる電極装置２並びに、図に示すように、平面ダストフィルタ１６および活性炭フィルタ１８を有することができ、プラズマフィルタ装置１は、既知のプラズマフィルタ装置１と比較して、非常に小さいサイズを有することができる。ホルダ装置は、ポリマー材料を含み得るフレームおよび囲いを有することができる。

ガスの除染のために、ＵＶＣ波長範囲内で光子を発生させることが行われる。プラズマフィルタ装置１は、プラズマ１１によって電極装置２の複合電極３、４間の空隙に光子を発生させるように構成されている。プラズマ１１は、放電ギャップ９内に誘電体バリア放電を介して生成されるようにされている。

プラズマフィルタ装置１を流れるガスは、放電ギャップ９内で点火されたプラズマ１１上に電気的に誘導可能となる。このアプローチを通して、電子温度４～６ｅＶにおける高エネルギー変換によって、図２に見られるように、ＵＶＣ範囲の波長を有する高い光子密度＞＞１０^１５／ｓが生じる。

このＵＶＣ波長では、９７％までの高い反射率が使用される誘電体および電極の構造によって生じるが、これは従来技術による既知のアセンブリでは達成できない。

市販されているＵＶＣ放射線源の使用とは異なり、１０００～１０，０００倍高い光子密度が発生する。

ＵＶＣランプと本件のプラズマフィルタユニットからの電極との間の２０Ｗの状況の比較を行うために、長さ２０ｃｍの６つのＵＶ－Ｃランプが必要であり、これは空気が流れるＵＶ－Ｃに対して透明な換気管２１を通る断面を照射し、この場合には選択された波長のＵＶ放射のための反射度が高いアルミニウム管２１によっても囲まれる。

空気の流れに含まれるエアロゾルは、２０ｃｍにわたり約０.１１秒で電極装置２の蛇行ギャップ（ここではエアロゾルは粒子トラップのために数分間滞留できる）と比較して１００から１０００倍低い光子密度でＵＶＣ活性化領域を通過する。したがって不活性化率は、通常のＵＶ－Ｃランプを用いた場合よりも何桁も高い密度ｘ時間の積によって生じる。さらに電極装置２を幾つも前後に接続することにより、プラズマフィルタ装置１の有効性をさらに高めることができる。

以下により詳細に記載するのは、エアロゾルの不活化のための前述の粒子トラップ効果である。一般にエアロゾルは、異なるサイズの固体または液体粒子からなる。大部分は１００μｍの範囲のものである。しかし５μｍより小さいかまたは２.５μｍより小さい粒子成分から出発することもできる（文献：２０１９年９月: DGUV規則１０２－００１、"Regeln fuer Sicherheit und Gesundheit bei Taetigkeiten mit Biostoffen im Unterricht" (Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung e.V, ドイツ社会事故保険) DGUVの「教室における生体剤による活動中の安全性に関する規則」e.V. ＤＧＵＶ）。直径１００μｍの液滴は高さ２ｍから地面に落下するのに約６秒を要するが、直径１０μｍの液滴は同じ距離に１０分を要し、１μｍの液滴は１６．６時間を要する（文献：Source Kappstein,Ines.Nosokomiale Infektionen: Prevention, Labordiagnostik, antimikrobielle Therapie; 122 Tabellen, ドイツ、ティーメ２００９）。したがって、より小さな粒子は空気中に長く滞留し、空気の移動を介して室内に分布し、感染の発生率に影響を与えることができる。

電極設計と電極装置２の配置の効果は、特に、感染の発生に決定的に関与するエアロゾル粒子・分子が複合電極３、４の間に留まり、そこで効果的に除染できることである。最良のＨＥＰＡフィルタは、０．３μｍまでの粒径のみを析出する。

図３、図７および図８から分かるように、危険な滞留と分類されるいわゆる浮遊エアロゾル粒子の大部分が、ＵＶ－Ｃ放射線が発生する割合が非常に大きい電極装置２の円柱状蛇行構造内に留まる。浮遊エアロゾル粒子の大部分はＵＶＣビームの作用によって直接不活性化され得る。したがって０．３μｍ以下で生じる線量を通じた粒子サイズのエアロゾルでさえも不活性化される。

高い光子密度と規定粒子フラクションの強制された滞留時間のために、高い不活性化／除染率が得られる。

スーパースプレッダーは、１秒間に最大２００、０００個、すなわち２ｘ１０^５個のＳａｒｓ－ＣｏＶ－２ウイルス粒子および立方メーター源を生成すると仮定する（文献： Michael Riediker; Dai-Hua Tsai、Estimation of Viral Aerosol Emissions from Simulated with Asymptomatic to Moderate Coronavirus Disease ２０１９、JAMA Network doi:１０．１００１／ｊａｍａｎｅｔｗｏｒｋｏｐｅｎ．２０２０．１３８０７）。例えば、５０ｍ^３の閉鎖空間では、このようにして１立方メートル当たり７×１０^５－７×１０^７個のウイルス粒子が１人から蓄積する。現在のプラズマフィルタ装置１で発生する光子の数が多いため、１０１５光子／秒をはるかに超えると、各粒子は、多数のＵＶＣ量子ヒットを受ける。電極装置２の蛇行状の放電ギャップ９における粒子の滞留時間が非常に長いため、効率的な不活性化が可能になる。これらの結果は、本発明のプラズマフィルタユニットの高いレベルの有効性および効率を証明することができる

プラズマフィルタ装置１の構造は従来の解決策と比較して利点を有する。本発明によるプラズマフィルタ装置１により、層流空気は電極装置２あたり圧力の損失が５～６Ｐａ程度と非常に少なく、約５０Ｐａが達成可能である。

特定用途のフィルタサイズを提供することにより、わずか数ｃｍの非常にコンパクトで小さな設計が可能であり、また図７に見られるように、数メーター範囲の大きなフィルタシステム用に拡張可能である。

プラズマフィルタ装置１は、層流状態で２５０～３００ｍ^３／ｈの高通流率を作ることができる。

コンパクトな設計と標準的な材料のために、製造コストは低い。プラズマフィルタ装置１の形状によって可能とされる平坦構造は、例えば天井換気装置においてプラズマフィルタ装置１の直接的な一体化を可能とする。プラズマフィルタ装置１のコンパクトな設計および層流空気流による騒音放出の低減により、自動車およびモビリティ用途への統合が可能になる。

本発明によるプラズマフィルタ装置１は、航空機内の既存のフィルタシステムと置き換えることができる。重量と設置スペースの節約により、キャビンと支持構造に関する新しい設計オプションが生まれる。建物内の複雑なフィルタカスケードの直接的な代替は、プラズマフィルタ装置１により可能である。これにより、種々の変異体のＨＥＰＡフィルタユニットの使用が減少し、エネルギーバランスが改善され、廃棄物が減少し、また保守点検間隔の延長および／または変更が可能となる。コンパクトな設計により、配置によって高レベルの電磁適合性を可能にするために、プラズマフィルタ装置１を明示的にスクリーニングすることが可能である（ＨＦおよびＢ技術分野適合性を参照）。

例えば磁気共鳴断層撮影装置のような、電子および画像構成部材の高い電磁波感受性のために、プラズマユニットの電磁波適合性および電圧源技術に特別な価値を置かなければならない。既存のおよび市販されている解決策は、使用される電極技術と同様にプラズマ発生器および／またはパワーエレクトロニクスに関して高価に適応されなければならない。ほとんどの場合、適応は不可能である。

完全に遮蔽されたＥＭＣ動作を保証するために、現在のプラズマフィルタ装置１では、３つの交差または非交差被覆電極装置２の構造が推奨され、これらはそれぞれスペーサフレームによって分離される。これによりファラデー箱が作られ、１－２ｍｍの電極ピン間の相対距離１５まで基本周波数１０ｋＨｚを完全に遮蔽する。本電極装置２のコンパクトな設計により、例えばステンレススチール管２１内のパワーエレクトロニクスおよび／またはプラズマ発生器と共に収容することが可能である。これにより十分な遮蔽が提供される。

Claims (18)

1. 少なくとも１つの電極装置（２）を有するプラズマフィルタ装置（１）であって、
   ・前記電極装置（２）は、平面的に形成された第１の複合電極（３）と、平面的に形成された第２の複合電極（４）を有し、
   ・前記電極装置（２）の前記複合電極（３、４）は、前記電極装置（２）の主平面（１３）において互いに同一平面上に配置されて放電ギャップ（９）によって空間的に隔てられ、
   ・前記第１および第２の複合電極（３、４）はそれぞれ電極フィンガを有するくし形構造を有し、前記電極フィンガが互いに係合することで、前記放電ギャップ（９）は蛇行しており、
   ・前記複合電極（３、４）はそれぞれ電極シート（５、６）を有し、それぞれの前記電極シート（５、６）の放電ギャップ（９）との少なくとも１つの境界面においてそれぞれ誘電体コーティング（７、８）を有し、
   ・前記第１の複合電極（３）と前記第２の複合電極（４）とは、それら複合電極（３、４）の間に交流電圧を供給可能なように構成されており、
   ・前記交流電圧は、前記放電ギャップ（９）内の誘電体バリア放電によってプラズマ（１１）を形成するようにパラメータ化され、
   ・前記プラズマフィルタ装置（１）は、前記電極装置（２）の前記主平面（１３）の法線に平行に整列された主流れ方向（１２）に沿ってガスを前記放電ギャップ（９）を通って案内するように構成される、
   ことを特徴とするプラズマフィルタ装置（１）。
2. 前記複合電極（３、４）のそれぞれの前記電極シート（５、６）がアルミニウムおよび／またはアルミニウム合金を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマフィルタ装置（１）。
3. 前記複合電極（３、４）のそれぞれの前記電極シート（５、６）がステンレス鋼であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマフィルタ装置（１）。
4. 前記複合電極（３、４）のそれぞれの誘電体コーティング（７、８）が１つまたは複数のポリマーを有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマフィルタ装置（１）。
5. 前記複合電極（３、４）のそれぞれの前記誘電体コーティング（７、８）が１つまたは複数のフッ素プラスチックを有する、
   ことを特徴とする請求項４に記載のプラズマフィルタ装置（１）。
6. 前記複合電極（３、４）のそれぞれの前記誘電体コーティング（７、８）がポリフッ化ビニリデンを有する、
   ことを特徴とする請求項５に記載のプラズマフィルタ装置（１）。
7. 前記複合電極（３、４）のそれぞれの前記誘電体コーティング（７、８）がポリテトラフルオロエチレンを有する、
   ことを特徴とする請求項５に記載のプラズマフィルタ装置（１）。
8. 前記複合電極（３、４）のそれぞれの前記誘電体コーティング（７、８）がフッ化黒鉛を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマフィルタ装置（１）。
9. 前記複合電極（３、４）のそれぞれの前記誘電体コーティング（７、８）が１つまたは複数のセラミックスを有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマフィルタ装置（１）。
10. 前記複合電極（３、４）のそれぞれの前記誘電体コーティング（７、８）がチタン酸バリウムを有することを特徴とする請求項９に記載のプラズマフィルタ装置（１）。
11. 前記複合電極（３、４）のそれぞれの前記誘電体コーティング（７、８）がカオリナイトを有する、
    ことを特徴とする請求項９に記載のプラズマフィルタ装置（１）。
12. 前記複合電極（３、４）のそれぞれの前記誘電体コーティング（７、８）が、カオリナイト、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化クロム、チタン酸バリウムおよび／または他のセラミック粉末の所定の割合を含むブレンドを有する、
    ことを特徴とする請求項９に記載のプラズマフィルタ装置（１）。
13. 前記プラズマフィルタ装置（１）は少なくとも２つの前記電極装置（２）を有し、
    前記プラズマフィルタ装置（１）はホルダ装置（２０）を有し、前記ホルダ装置（２０）は前記少なくとも２つの電極装置（２）を予め定められた電極配置で配置するように構成されており、前記少なくとも２つの電極装置（２）が前記予め定められた電極配置で互いに平行に並び、かつ前記主流れ方向（１２）に沿って予め定められた距離（１５）で対をなして互いに隔てられている、
    ことを特徴とする、請求項１～１２のいずれか１項に記載のプラズマフィルタ装置（１）。
14. 前記少なくとも２つの電極装置（２）の隣接する電極装置（２）が前記主流れ方向（１２）を中心に互いに９０°回転して整列される、
    ことを特徴とする請求項１３に記載のプラズマフィルタ装置（１）。
15. 前記プラズマフィルタ装置（１）は少なくとも１つのダストフィルタ（１６）を有し、主流れ方向（１２）に対して前記電極装置（２）の前に配置されることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマフィルタ装置（１）。
16. 前記プラズマフィルタ装置（１）は少なくとも１つの活性炭フィルタ（１８）を有し、主流れ方向（１２）に対して前記電極装置（２）の後に配置されることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマフィルタ装置（１）。
17. プラズマフィルタ装置のための電極装置（２）であって、
    前記電極装置（２）は、平面状に形成された第１の複合電極（３）と平面状に形成された第２の複合電極（４）を有し、
    ・前記電極装置（２）の前記複合電極（３、４）は、前記電極装置（２）の主平面（１３）において互いに同一平面上に配置され、かつ放電ギャップ（９）によって空間的に互いに離間されており、
    ・前記第１および第２の複合電極（３、４）はそれぞれ電極フィンガを有するくし形構造を有し、前記電極フィンガが互いに係合することで、前記放電ギャップ（９）は蛇行しており、
    ・前記複合電極（３、４）はそれぞれ電極シート（５、６）を有し、前記電極シート（５、６）のそれぞれの前記放電ギャップ（９）に対する少なくとも１つの境界面上にそれぞれ誘電体コーティング（７、８）を有し、
    ・前記第１の複合電極（３）と前記第２の複合電極（４）とは、それら複合電極（３、４）の間に交流電圧を供給可能なように構成されている、
    ことを特徴とする電極装置（２）。
18. プラズマフィルタ装置（１）の作動方法であって、
    前記プラズマフィルタ装置（１）は少なくとも１つの電極装置（２）を有し、前記電極装置（２）は平面的に形成された第１の複合電極（３）と、平面的に形成された第２の複合電極（４）を有し、
    ・前記電極装置（２）の前記複合電極（３、４）は、前記電極装置（２）の主平面（１３）において互いに同一平面上に配置され、かつ放電ギャップ（９）によって空間的に互いに離間されており、
    ・前記第１および第２の複合電極（３、４）はそれぞれ電極フィンガを有するくし形構造を有し、前記電極フィンガが互いに係合することで、前記放電ギャップ（９）は蛇行しており、
    ・前記複合電極（３、４）のそれぞれが電極シート（５、６）を有し、前記電極シート（５、６）のそれぞれの前記放電ギャップ（９）に対する少なくとも１つの境界面においてそれぞれ誘電体コーティング（７、８）を有し、
    交流電圧が前記第１の複合電極（３）と前記第２の複合電極（４）との間に供給され、それによってプラズマ（１１）が前記放電ギャップ（９）内の誘電バリア放電によって生成され、
    前記プラズマフィルタ装置（１）により、ガスが前記電極装置（２）の前記主平面（１３）の法線と平行する主流れ方向（１２）に沿って前記放電ギャップ（９）を通るように案内される、
    ことを特徴とする作動方法。