EP4221769A1 - Plasmaquelle zur handdesinfektion - Google Patents
Plasmaquelle zur handdesinfektionInfo
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- EP4221769A1 EP4221769A1 EP22718091.6A EP22718091A EP4221769A1 EP 4221769 A1 EP4221769 A1 EP 4221769A1 EP 22718091 A EP22718091 A EP 22718091A EP 4221769 A1 EP4221769 A1 EP 4221769A1
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- air flow
- wire
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- 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
- H05H1/2406—Generating plasma using dielectric barrier discharges, i.e. with a dielectric interposed between the electrodes
- H05H1/2439—Surface discharges, e.g. air flow control
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- A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
- A01P—BIOCIDAL, PEST REPELLANT, PEST ATTRACTANT OR PLANT GROWTH REGULATORY ACTIVITY OF CHEMICAL COMPOUNDS OR PREPARATIONS
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- H05H2245/30—Medical applications
- H05H2245/34—Skin treatments, e.g. disinfection or wound treatment
Definitions
- the invention preferably relates to a device that dries and disinfects body areas, in particular hands, without contact.
- the disinfecting effect is created by a plasma generator, which gives the disinfecting effect to an air flow for hand drying.
- the plasma generator creates reactive plasma species that are brought to human skin by the airflow. Contact with the plasma source and high-voltage components is avoided.
- the invention relates to a use of the device according to the invention and a method for disinfecting human skin.
- washing hands is designed to remove dirt and potential pathogens. It thus has both an aesthetic and a hygienic function. After the hands have been washed, they are dried, with automatic hand dryers also being known in the prior art in addition to textile or paper towels.
- Hand dryers generally produce a flow of air that is intended to reduce moisture in hands after washing and dry them. With conventional hand dryers, the focus is on drying. An additional hygienic function of the hand dryer for disinfection is usually not given.
- hand dryers and/or air cleaners are also known in the prior art which have plasma sources, ion sources or UV radiators. Ions, particularly reactive species, are generated using such sources. The reactive species react with the cells of potential pathogens on the skin, killing them, for example through membrane and/or DNA damage. Hand dryers with such a mode of action therefore offer a promising alternative to the commercially available hand dryers—only intended for drying.
- US 2004/0184972 A1 discloses a method and a device which is intended to clean room air.
- the device comprises a plasma generator or an atmospheric plasma device and a filter medium.
- the filter medium can absorb and filter the entire air flow.
- the atmospheric plasma is generated by either a radio frequency (RF) electric field, an alternating current (AC) electric field, or a direct current (DC) electric field.
- RF radio frequency
- AC alternating current
- DC direct current
- US 2007/0253860 A1 discloses a device and the use of a device that cleans room air.
- the air is irradiated with a UV radiation source to kill microorganisms.
- the air is passed through a catalytic converter in order to break down the ozone produced by UV radiation.
- the air is ionized.
- US 2013/0233172 A1 describes a room air cleaner that works with an electrostatic precipitator.
- the basic principle of this invention is corona discharge.
- the corona discharge is formed by applying a high voltage to a thin wire.
- the charge carriers released as a result charge the particles carried along with the air flow, which are then deposited on a metal plate.
- DE 102008 063 052 A1 describes a device for cleaning room air, in particular for avoiding odors.
- a device for generating plasma in its housing there is a device for generating plasma, so that germs or unpleasant odors can be eliminated.
- WO 2015/032888 A1 describes a disinfection device and a method for plasma disinfection of surfaces with a plasma generator for generating a disinfecting plasma gas flow.
- the device comprises an aerosol generator for generating an aerosol flow containing aqueous particles, the aerosol generator and the plasma generator directing a mixed flow of plasma gas in the disinfection area onto the surface to be disinfected.
- EP 1925190 B1 discloses a plasma source, in particular for disinfecting wounds, which comprises an ionization chamber with an inlet for introducing a gas into the ionization chamber and a plurality of ionization electrodes located inside the ionization chamber.
- the ionization electrodes ionize the gas inside the ionization chamber by emitting microwaves.
- DE 102008054401 discloses a dryer in which a cavity accessible from the outside through a housing opening is formed for accommodating body areas to be dried by means of an air flow in the cavity, in particular the hands.
- a plasma or ion source preferably a microwave or high-frequency source, is used to reduce germs in the air flow.
- WO 2015/132368 A1 discloses a disinfection device which has an electrode arrangement which is arranged transversely to an air flow path.
- the electrode arrangement causes a plasma discharge along its longitudinal axis, so that the air flowing through is exposed to the plasma.
- the electrode arrangement consists of a grid.
- the plasma is only formed on the surface of the dielectric, on which a first lattice structure is located.
- the air flow is strong due to the close-meshed grille slowed down so that a thick flow boundary layer develops. This prevents the reactive species in the plasma, which are used for disinfection, from mixing well with the surrounding air. It may even be that they are partially broken down again in the grids.
- the necessary power per surface is only determined by the frequency and the voltage.
- a reduction in the surface output is only possible to a limited extent by reducing the voltage, since otherwise a stable plasma cannot be generated.
- small turbulences which are generated by the plasma itself, are intercepted by the narrow meshes of the grid and cannot have an effect in terms of a disinfection effect.
- the object of the present invention was to eliminate the disadvantages of the prior art and to provide an improved device for disinfecting body areas based on a plasma source in an air stream.
- a device for disinfecting body areas should be provided, which is characterized by a particularly effective generation and transport of reactive plasma species with a disinfecting effect to the desired disinfection area.
- the invention relates to a device for disinfecting body areas comprising a fan for generating an air flow and a plasma generator, the plasma generator being located in the air flow, characterized in that the plasma generator comprises at least one plasma rod, which is a dielectric tube with an electrically conductive core within the dielectric tube, the dielectric tube having a wire wound over to form turns on an outside, the electrically conductive core forming an electrode pair with the wire wound on the outside, which generates a plasma when a voltage is applied.
- the plasma generator comprises at least one plasma rod, which is a dielectric tube with an electrically conductive core within the dielectric tube, the dielectric tube having a wire wound over to form turns on an outside, the electrically conductive core forming an electrode pair with the wire wound on the outside, which generates a plasma when a voltage is applied.
- the device according to the invention is preferably set up to dry and disinfect body oak, in particular hands, after washing.
- the fan causes an air flow that preferably flows across the plasma generator.
- a so-called cold plasma is preferably produced by the principle of dielectric barrier discharge, also known as dielectric barrier discharge or silent electrical discharge.
- dielectric barrier discharge also known as dielectric barrier discharge or silent electrical discharge.
- reactive oxygen and nitrogen species are formed, which are be carried along in the flowing air flow and hit the wet areas of the body, especially wet hands, after the washing process.
- the advantageous disinfecting effect of the device according to the invention can preferably be attributed at least in part to the provision of such reactive oxygen and nitrogen species.
- the reactive oxygen and nitrogen species encounter possible pathogens in wet areas of the body.
- the reactive oxygen and nitrogen species react advantageously, especially the singlet oxygen 1 Ü 2 with the carbon double bonds of the amino acids of spores, fungi, germs, bacteria and/or viruses. These potential pathogens are killed by DNA and/or membrane damage.
- the moisture in areas of the body for example on the hands after washing the hands, preferably develops a disinfecting effect.
- the device according to the invention acts as a dryer and disinfectant at the same time.
- Commercially available dryers especially hand dryers, which are found, for example, in the toilets of companies, restaurants, etc., usually only fulfill the function of drying.
- Commercially available disinfectants which are in the form of a liquid in containers, are often placed at the sink. A person can then use this after washing their hands.
- Such disinfectants consist of chemical compounds that kill potential pathogens, but can also have a negative impact on the skin underneath, for example through allergic reactions.
- the moisture that is on the body areas, for example the hands, after washing preferably develops a disinfecting effect. This is done preferably by dissolving the reactive oxygen and nitrogen species in the liquid found on hands, for example, which can kill potential pathogens.
- a dielectric barrier discharge is preferably generated by applying a high voltage between two electrodes, with at least one of the electrodes being insulated by a dielectric.
- the use of insulation prevents the occurrence of an arc discharge. Instead, many fine plasma filaments form between the electrodes, but they only have a short lifespan of a few nanoseconds. The reason for this is the accumulation of charge carriers on the surface of the dielectric, which generate an opposing field to the externally applied voltage, so that the discharge is extinguished again. Therefore, an AC voltage is typically used at a few kilohertz.
- the dielectric barrier discharge can be generated both at low pressure and at atmospheric pressure, with its special properties being used primarily at atmospheric pressure.
- the heavy ions can absorb far less energy from the alternating field than the lighter and faster electrons. It is therefore preferably a non-thermal "cold" plasma in which the electrons have a high temperature, but the neutral gas and the ions are present at around room temperature. As a result, temperature-sensitive materials such as human skin and/or the surrounding air can also be treated with this type of discharge.
- Dielectric barrier discharge is used for a wide range of applications including ozone generation, UV source, air and wastewater treatment, disinfection, surface activation, cleaning, etching and coating.
- a great advantage of the dielectric barrier discharge is that it can be manufactured in various shapes and sizes by means of flexible electrode and dielectric assemblies and thus can be well adapted to a specific application.
- the dielectric barrier discharge is preferably used for disinfecting body areas and/or the surrounding air.
- the advantageous disinfecting effect of the device according to the invention can preferably be attributed at least in part to the provision of the aforementioned reactive species.
- the reactive oxygen and nitrogen species will preferentially be transported to the relevant sites accordingly. This is preferably done by an air flow.
- the air flow is preferably created by a fan.
- fan can also be used synonymously for the expression "fan”.
- an air flow preferably denotes the movement of air. Air behaves fluidly, i. H. Particles naturally flow from areas of higher pressure to those where the pressure is lower.
- a fan preferably designates a driven turbomachine that conveys a gaseous medium, preferably air.
- the fan can have an axially or radially flown-through impeller, which is preferably in a housing according to the invention Device rotates.
- a pressure ratio of between 1 and 1.3 can be achieved between the suction side and the pressure side.
- Flow machines that achieve a pressure ratio greater than 1.3 are usually referred to as compressors. Instead, fans preferably set max.
- Axial fans are very common designs.
- the axis of rotation of the axial impeller is parallel (axial) to the airflow.
- the air is moved by the axial impeller in a similar way to an airplane or ship propeller.
- Axial fans achieve a high throughput with small dimensions.
- the achievable pressure ratio is lower than with radial fans.
- the pressure build-up occurs because the incoming air is deflected by the blades of the impeller and leaves the fan on spiral paths.
- the pressure build-up depends on the angle that the airflow forms relative to the blade profile. If more pressure is to be achieved, this angle must be increased. However, if the angle of attack is too large, the profile flow breaks down and the fan works inefficiently and with more noise.
- Radial fans are used wherever there is a greater pressure increase with the same air volume compared to axial fans.
- the air is sucked in axially (parallel to the drive axis) of the radial fan and deflected by the rotation of the radial impeller by 90° and blown out radially.
- impellers with backward-curved blades at high pressures and efficiencies
- straight blades for special purposes such as particle-laden flows to reduce buildup
- forward-curved blades at low pressures and efficiencies.
- the air is usually blown out at a flange or a pipe socket.
- Diagonal fans are known. The air does not exit axially, but diagonally. Diagonal fans have a higher air throughput with the same performance and size and build up a higher pressure, which is why they can be operated at a lower speed with the same effect, for example, and are therefore quieter.
- tangential fans that have blades pointing in the running direction. With tangential fans, the air is guided twice through the fan wheel. It is drawn in tangentially over a large area, roughly half the surface of the fan wheel, guided through the inside of the wheel and released again tangentially. The wheel carries a small amount of air on the outside. The air then usually exits through a narrow gap the width of the fan wheel on the opposite side.
- compressors that generate compressed air and ion winds generated by additional DC voltage sources are also known.
- all of the aforementioned variants of the fans can preferably be used in a device according to the invention.
- the ions and/or reactive oxygen and nitrogen species, which are carried by the air flow to the surrounding air or to the body areas to be disinfected, are generated by the plasma generator.
- a plasma generator designates a component of the device according to the invention, through which a plasma and thus preferably the reactive species are produced.
- a plasma generator comprises at least one dielectric tube with a conductive core, the dielectric tube having a wound wire on an outer side.
- the dielectric tube can also be referred to as a dielectrically conductive tube.
- the dielectric tube preferably comprises a dielectric material.
- a dielectric material preferably designates a material which does not conduct electricity or conducts electricity only very weakly.
- the dielectric tube has a wire on its outside. This wire is wound into turns along this outside.
- the electrically conductive core inside and the coiled wire outside the dielectric tube form a pair of electrodes.
- the dielectric tube with the pair of electrodes is also referred to as a plasma rod within the meaning of the invention.
- the application of a voltage preferably an alternating voltage, preferably produces the dielectric barrier discharge and thus the plasma and thus preferably the reactive species along the surface of the dielectric tube.
- the wire is preferably wound twice and in opposite directions on the outside of the dielectric tube. This compensates for the inductance that this winding could have.
- the double winding achieves a structure similar to that of a coaxial line, which does not emit any electromagnetic radiation. Instead, the windings through which current flows can effectively serve to generate the plasma. Due to the fan, the air flow around the dielectric tube preferably passes in the transverse direction.
- thermal instability When attempting to spread a dielectric barrier discharge over a large effective area, thermal instability must be taken into account. This is because plasma ignites more easily where the electrode or dielectric is warmer. If the voltage applied is only slightly above the voltage required for ignition, the plasma usually only ignites at the points where the temperature is higher. In other places it may not ignite at all. An effective remedy can be found by increasing the voltage, which, however, increases the power, or reducing the frequency, which in turn requires an increase in the size of the transformers that may be present. With the device according to the invention, the problem is solved in that the plasma preferably ignites only along the thin line of the wire winding. The wire can be wound with almost any pitch.
- the power can be reduced to a desired level without reducing the length of the tube.
- the generation of reactive species can thus advantageously be distributed over a larger distance or over a larger area and thus a larger flow profile can be supplied uniformly with reactive species.
- the dielectric tube preferably has a smooth surface.
- a smooth surface preferably denotes a surface which has an average roughness value between 0 ⁇ m and 500 ⁇ m, preferably 0 and 50 ⁇ m or particularly preferably up to 5 ⁇ m, up to 1 ⁇ m.
- the mean roughness value is a parameter for describing the roughness or smoothness, with the mean roughness value (R a ) indicating the arithmetic mean of the absolute deviation from a center line of the surface and generally being given as a unit with pm (micrometers). .
- the smooth surface of the dielectric tube causes the air to flow smoothly around it, the boundary layer in which the air adheres to the surface of the dielectric tube being relatively thin.
- This is advantageous in that the air hardly flows in this boundary layer. Therefore, the reactive species must diffuse through this layer. Furthermore, this boundary layer is disturbed in a few places by the coiled wire. This brings about turbulence, which is an advantage since the mixing of the reactive species with the air flowing around is significantly improved.
- the air flow is not greatly slowed down since the wound wire is preferably not as finely woven as the grid.
- the boundary layer of the device according to the invention is preferably significantly thinner, so that the reactive species are particularly well mixed with the air flowing around.
- reactive species in the device according to the invention are not broken down again after production.
- the device is characterized in that the plasma generator comprises an array of several plasma rods.
- an array designates an arrangement structure of the plasma generator or the plasma rods.
- a number of plasma rods, which form an array, can preferably represent the plasma generator.
- the array is preferably configured in one, two and/or three dimensions.
- the plasma rods are connected to one another in one, two and/or three dimensions, preferably by parallel circuits.
- a parallel connection is advantageous because if one plasma rod fails, the other plasma rods of the plasma generator remain functional.
- a series connection of two or more plasma rods can also be preferred.
- the two or more rods can be operated symmetrically, from which the electromagnetic emission is again advantageously reduced.
- the configuration as an array leads to a compact design of the plasma generator, so that a large number of plasma rods can advantageously be installed.
- Another advantage of the array design of the plasma generator is the easy and simple scalability. In this way, the plasma generator can easily be constructively and efficiently adapted to the planned operating and load conditions.
- the configuration as an array is advantageous in that the dielectric barrier discharge is applied in the form of strips, surfaces and/or volumes, so that the reactive species can be formed over a large area.
- the air flow allows larger body areas to be dried and disinfected at the same time.
- the device is characterized in that the dielectric tube has a wall thickness between 0.5 mm and 3 mm, preferably between 1 mm and 2 mm.
- the wall thickness preferably designates the difference between the inner and outer dimensions of the dielectric tube.
- the measurement is preferably carried out perpendicularly to the wall extension or perpendicularly to the body axis.
- the inside and outside diameters are required.
- the wall thickness is an important parameter to describe the functionality of components, especially with regard to their statics, dynamics and strength.
- the preferred wall thicknesses advantageously increase the dielectric strength and prevent voltage breakdowns.
- a channel forms for a certain time in which an electrically conductive plasma is created from the material of the dielectric tube through heat and ionization.
- the radiation emanating from the plasma for example ultraviolet radiation, preferentially knocks further electrons out of the material of the dielectric tube, which further increases the conductivity in the channel.
- the breakdown can quickly extinguish as a spark or continue to burn as an arc.
- the insulating material in this case the dielectric tube, is often irreversibly changed or even destroyed along the path taken by the spark. Plastics can partially char due to the heat of the spark and are then unusable as an insulator. It is therefore important to avoid voltage breakdowns.
- the specified wall thicknesses advantageously prevent such breakdowns in voltage in a particularly effective manner.
- the device is characterized in that the dielectric tube comprises a length of from 4 times to 30 times the outer diameter of the dielectric tube.
- the preferred lengths have proven to be particularly advantageous because on the one hand they provide a sufficient area for generating the plasma and at the same time ensure high stability of the dielectric tube.
- the dielectric tube preferably comprises typical materials that come into consideration for dielectrics in high-frequency applications.
- Preferred materials for the dielectric tube include polyethylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), ceramic, such as steatite, and/or alumina, mica, and/or glass, such as borosilicate glass.
- PTFE polytetrafluoroethylene
- ceramic such as steatite, and/or alumina, mica
- glass such as borosilicate glass.
- the device is characterized in that the wire is wound in opposite directions to form turns over at least twice the length of the tube and a plasma distributed over the length of the tube is generated as a function of the applied voltage.
- a turn designates a winding of the wire running around the longitudinal axis of the dielectric tube along its surface.
- a winding can therefore also be referred to as a winding within the meaning of the invention.
- the resulting geometric structure preferably resembles a helical or spiral shape.
- a plurality of turns along a length of the tube are preferred, with each turn of the wire preferably corresponding to one circumnavigation of the dielectric tube and a plurality of windings preferably correspond to a plurality of successive turns around the dielectric tube along a winding direction.
- Winding the wire in opposite directions along twice the length of the dielectric tube advantageously results in so-called meshes, which are formed by winding the wire in opposite directions in each case.
- Winding the wire in the opposite direction means wrapping the wire around the dielectric tube, with at least one turn forward and one turn backwards with the opposite direction of rotation.
- the wire can preferably be attached to the dielectric tube by hand, etching and/or gluing methods. Automated winding can also take place. All methods known in the prior art can be used for this purpose.
- the plasma forms preferentially along the thin line of the wire winding by applying a high voltage.
- the wire can therefore advantageously be wound with almost any desired pitch.
- the power can be reduced to a desired level without reducing the length of the dielectric tube.
- reactive species are preferably formed, which are thus distributed over a longer distance, in particular over the length of the dielectric tube, and over a larger area. Therefore, advantageously, a larger airfoil can be evenly supplied with reactive species.
- the device is characterized in that the turns of the wire are at a distance from one another of up to 10 times the outer diameter of the dielectric tube, preferably between 1 and 10 times the outer diameter, more preferably between 1 and times the outer diameter and 5 times the outer diameter, particularly preferably between 2 times and 4 times the outer diameter.
- the pitch of the turns preferably means the mean distance between turns of the wire in a winding direction.
- the distance between turns of the wire can be measured along the longitudinal axis on an outer contour of the wire. For example, in the case of winding the wire with four turns in a winding direction over a length of 80 mm, the pitch is about 20 mm.
- the distances between the turns have proven particularly advantageous in that the air flowing around preferably creates a relatively thin boundary layer along the dielectric tube. Due to the thin boundary layer, the reactive species that arise during the plasma formation can mix particularly well with the air flowing around and convey this to body areas that are to be dried and/or disinfected. A thick boundary layer is avoided by the specified distances between the turns of the wire, which in turn would disadvantageously impede particularly thorough mixing of the reactive species.
- Terms such as essentially, approximately, about, approx. etc. preferably describe a tolerance range of less than ⁇ 20%, preferably less than ⁇ 10%, even more preferably less than ⁇ 5% and in particular less than ⁇ 1%. Statements of essentially, roughly, about, approx. etc. always reveal and include the exact stated value.
- the air in particular the reactive species that form as a result of the plasma, is preferably exchanged along the winding of the wire by the air flow.
- the reactive species can easily reach the surrounding air outside the device according to the invention through the air flowing around it, which preferably passes through the dielectric tube in the transverse direction.
- the lattice structure in WO 2015/132368 A1 allows an exchange of air and thus reactive species in the narrow lattice structures to a lesser extent, so that the reactive species in the plasma itself are even broken down cannot reach the body areas to be dried and/or disinfected and/or the ambient air.
- This is advantageously avoided by the wire winding, in particular by the preferred distances between the turns of the wire.
- the wire used to wrap the dielectric tube may comprise materials known in the art to be good conductors. These can preferably be materials such as iron, steel, brass, aluminum, gold, titanium, copper and/or copper alloys. Materials that are electrically conductive and have high corrosion resistance are preferred. The term corrosion is defined in DIN EN ISO 8044. A person skilled in the art is able to select suitable materials for the wire.
- the device is characterized in that the wire has a diameter of between 0.1 mm and 1 mm, preferably between 0.2 mm and 0.4 mm.
- the dielectric tube has a smooth surface.
- the smooth surface of the dielectric tube is responsible for a smooth flow of air around it, with the boundary layer along the dielectric tube being relatively thin, with the boundary layer itself barely flowing.
- the stated dimensions with regard to the diameter of the wire are advantageous in particular for the formation of a thin boundary layer. Due to the fact that the wire has such small dimensions, the smooth surface of the dielectric tube is retained, which is advantageous for the flow of air, since the air itself flows smoothly around the dielectric tube.
- the thin boundary layer is preferably slightly disturbed by the thin wire. This leads to the smallest turbulences, which is advantageous, however, since the reactive species are mixed much better with the air flowing around them.
- the plasma produced by the device according to the invention or the dielectric barrier discharge preferably itself exerts an influence on the air flowing around. That are, on the one hand, sound emissions caused by the warming of the air, and on the other hand, an ion wind, in which ions formed on the wire are attracted by the surface of the dielectric tube and take other gas particles with them. Although these effects are relatively weak, they cause a flow along the surface of the dielectric tube, which is all the stronger, the greater the power of the plasma per wire length.
- the device is characterized in that the electrically conductive core comprises a wire.
- the electrically conductive core can be a solid wire or a tube, which is preferably designed in terms of its dimensions such that it fits into the dielectric tube.
- the electrically conductive core can be formed in the form of a tube which is made of wire mesh and is sized so that the electrically conductive core fits into the dielectric tube.
- the electrically conductive core and the coiled wire along the dielectric tube form a pair of electrodes.
- the dielectric tube preferably shields the conductive core from the air flowing around it.
- An electric field is also formed between electrically insulated electrodes. If the field strength is high enough, electrical discharge occurs. However, there is preferably no current flow due to the insulation, and therefore no heating of the gas. Hence the term "cold plasma".
- the electrons migrate to the next electrode and preferably cannot escape through the insulation.
- the resulting charge preferably compensates for the applied high-voltage field after a very short time and extinguishes the discharge. In order to maintain the gas discharge, it is therefore preferable to carry out the excitation with a high-frequency alternating voltage, which is applied to the two electrodes.
- the transport of ions is preferably largely suppressed by the described principle of the dielectric barrier discharge, but these can be transported and used in particular for disinfection by the supplied air flow, which preferably results from the fan.
- the principle of dielectric barrier discharge has other advantages.
- the dielectric barrier discharge is highly efficient, since no charge carriers have to enter or exit the electrodes. This eliminates the need for a cathode, meaning that no thermionic emission is necessary.
- it is an advantage that in a normal air atmosphere, especially in the air flowing around, the effect of the dielectric barrier discharge can unfold.
- the device is characterized in that the device comprises a voltage source and/or a transformer for providing a desired voltage, which is preferably an AC voltage.
- a transformer preferably comprises two or more coils, usually wound from insulated copper wire, on a common magnetic core. The transformer converts an AC input voltage that is applied to one of the coils into an AC output voltage that can be tapped off at the other coil.
- the coil is referred to as the primary coil to which an external alternating voltage UP is applied and the coil from which the output voltage Us is tapped is referred to as the secondary coil.
- An AC voltage on the primary coil of the transformer causes a changing magnetic flux in the core according to the law of induction.
- the changing magnetic flux in turn induces a voltage on the secondary coil of the transformer, which is also known as voltage transformation.
- An alternating current in the secondary winding causes an alternating current in the primary winding according to Ampere's law, also known as current transformation.
- the voltage ratio between the primary and secondary coils is given by the ratio of their number of turns according to the transformer equation. By suitably selecting the number of turns, alternating voltages can be transformed both up and down with one transformer.
- a DC voltage always has the same polarity and thus a direct current has the same direction of flow
- a voltage whose polarity changes periodically is preferably referred to as an AC voltage. Accordingly, the direction of flow of the alternating current preferably changes periodically.
- Voltage and current do not necessarily have to have a sine function over time. However, the sinusoidal alternating current is technically the most widespread, since it is produced when generating electricity in alternators.
- the effective value of an AC voltage is preferably understood to mean that voltage (DC voltage) which is constant over time and which supplies the same energy as the AC voltage at the same resistor R in the same time.
- the rms value of an alternating current is preferably understood to mean that current intensity which is constant over time (current intensity of a direct current) which supplies the same energy as the alternating current at the same resistor R in the same time.
- a DC voltage is applied and this is converted into an AC voltage by an inverter.
- the applied voltage is an AC voltage, preferably with an effective value between 1 kV (kilovolt) and 10 kV and/or a frequency between 1 kHz (kilohertz) and 500 kHz.
- the device is characterized in that the applied voltage is an AC voltage, preferably with a peak-to-peak value between 3 kV (kilovolts) and 15 kV and/or a frequency between 1 kHz (kilohertz) and 500 kHz.
- a sinusoidal and/or a square-wave voltage profile can be selected for the alternating voltage.
- a sinusoidal voltage curve is also referred to as a sinusoidal voltage. It is described mathematically by the product of the peak value of the AC voltage and the sine function, with the product of angular frequency and time being formed as the argument of the sine function, with this product also being referred to as the phase angle.
- a square-wave voltage curve preferably designates a periodic signal that switches back and forth between two values and has a square-wave curve in a diagram over time.
- Preferred voltage pulses can have the form of a decaying sine wave, for example.
- the voltage can preferably essentially be composed of a positive and a similarly large negative half-wave, followed by several post-oscillations.
- kHz kilohertz
- 1000 kHz preferably 500 kHz to 1000 kHz
- a repetition rate of the voltage pulses being able to be selected, for example, from a range of 100 Hz to 10 kHz.
- the device is characterized in that the plasma comprises a mixture of particles at the atomic-molecular level, preferably reactive oxygen and nitrogen species.
- a plasma preferably designates a particle mixture of ions, free electrons and usually also atoms and/or molecules.
- a plasma therefore contains free charge carriers.
- the degree of ionization of a plasma can be less than 1%, but also 100% (complete ionization).
- An essential property of plasmas is their electrical conductivity.
- the plasma preferably the cold plasma already mentioned, is non-thermal, i. H. the plasma is not in thermal equilibrium. In concrete terms, this means that the temperatures of the particle types contained differ significantly.
- Reactive species are contained in the plasma, preferably reactive oxygen and nitrogen species.
- Reactive species are distinguished by the fact that they are highly reactive and can develop a disinfecting effect in the context of the invention.
- the reactive oxygen and nitrogen species are therefore preferred for the device according to the invention, since they are so durable that they can also act outside the discharge area. In particular, they are stable over a period of time so that they can be transported by the air flowing around body areas to be disinfected, in particular the hands, and/or the ambient air.
- ROS Reactive oxygen species
- RNS Reactive nitrogen species
- the device is characterized in that the reactive oxygen species comprises singlet oxygen 1 Ü2 and superoxide anions and the reactive nitrogen species comprises nitrogen monoxide, the nitrogen monoxide reacting with the superoxide anions to form peroxynitrites ONOO- and ONOOH.
- the ROS are preferably just as stable as the singlet oxygen and interact with the target molecules and/or other radicals are formed which are also long-lived.
- Hyperoxide anions O2 which oxidize nitrogen monoxide to the RNA peroxynitrites ONOO- and ONOOH just mentioned, are preferentially formed in the plasma.
- the range of the effect can be easily calculated over the lifetime of the reactive species.
- the average flow rate of the air flowing around the fan can be approximately 16 m/s.
- Peroxynitrites have a lifetime of about 10ms, so they can still be effective at 16cm from the plasma generator.
- the singlet oxygen for example, has a lifetime of about 50 ms, so that even longer distances of about 80 cm from the plasma generator are possible with the singlet oxygen. Efficient disinfection of body areas, especially hands, and/or the surrounding room air is possible in particular if the air flow is enriched with a sufficiently high amount of reactive species.
- the plasma generator comprising the plasma rods advantageously enables optimal enrichment with ROS and/or RNS.
- ozone O3 can also form in the plasma.
- Ozone a gas under standard conditions, is a strong oxidizing agent that exerts its oxidizing effect even at room temperature. Due to its strong oxidizing effect, the gas is already unstable at room temperature.
- the effect of the ozone is caused by the atomic oxygen produced during the decomposition of the molecule, which itself is highly reactive and has an oxidizing effect.
- active oxygen ozone is a kind of carrier of this reactive atomic oxygen. It is precisely the disinfecting effect of ozone on organic compounds, such as bacteria or viruses, that makes ozone treatment an important process. In contrast to chlorine as an alternative oxidizing and/or disinfecting agent, ozone treatment is largely environmentally friendly.
- the compounds decomposed by the ozone are biodegradable, and even the ozone not consumed after the decomposition reaction decomposes by itself, leaving only oxygen as a decomposition product.
- the cold plasma caused by the dielectric barrier discharge is generated in the plasma generator. If pure oxygen is now passed through the plasma generator, the oxygen molecules are split into atomic oxygen, which can then recombine to form ozone.
- the device is characterized in that the air flow circulates in a circuit, the device preferably comprising an activated carbon filter in the circulating air flow, which traps pollutants in the air flow.
- the species reactive by the plasma generator are carried further by the air flow, in particular into a disinfection chamber where the body areas, in particular the hands, can be held for drying and/or disinfecting.
- the pressure ratio between the negative pressure in the disinfection chamber and the pressure in the environment is of great advantage, as it means that no pollutants can get into the environment. The process starts again with the cleaned air, so that a cycle is formed.
- activated charcoal filters preferably refer to filters that contain activated charcoal.
- a filter keeps unwanted substances out of the airflow, similar to a sieve.
- Activated carbon preferably has a very large internal surface area that adsorbs dissolved particles. The carbon also acts as a reducing agent and can absorb oxidizing agents such as ozone and/or chlorine from the air flow.
- oxidizing agents such as ozone and/or chlorine from the air flow.
- the substances to be removed are absorbed by the activated carbon and enriched in the carbon mass.
- some of the carbon is oxidized to carbon dioxide and thus consumed.
- the amount of activated carbon is reduced and must be refilled occasionally. Filtering absorbed substances, especially solids, increases the filter resistance.
- the absorbed substances especially the solids, must be removed again by backwashing from the filter bed. If necessary, the filter can also be regenerated by washing, heating or replacing the activated carbon. Substances taken up by adsorption accumulate in the coal. Depending on the type of activated carbon and the nature of the adsorbed substances, enrichments of 10 to about 20 percent by weight are possible before a breakthrough occurs.
- Activated charcoal also called medicinal charcoal for short, is porous, fine-grained carbon with a large inner surface, which is often used as an adsorbent. Activated charcoal is used in granulated or pressed tablet form (charcoal compacts). The pores are open-pored and interconnected like a sponge.
- the device is characterized in that the fan draws in air from an environment and, after flowing through the plasma generator, is exposed to the environment.
- the plasma power is preferably less than 10 W (watts), preferably between 1 W (watts) and 10 W, particularly preferably about 2 W or less.
- the air is sucked in exclusively from the environment by the fan.
- the air flow is also brought by the fan in the direction of the plasma generator and is then transferred to areas of the body, in particular hands, for drying and/or disinfecting.
- the air is not circulated, but rather exposed to the environment. This embodiment is particularly advantageous since more reactive species are released into the environment, so that these spores in the room air itself,
- Both the embodiment using an air flow circuit and the variant without using a circuit advantageously lead to an improvement in the room air, since the air sucked in is always decontaminated by the fan.
- the invention is characterized in that the fan is equipped with one or more heating elements.
- a heating element designates a device that supplies heat to the intake air.
- Electric heating elements are the most common form of heating elements. Electric heating elements convert electricity into heat. They usually contain a current-carrying heating coil, which electrically insulates against the air flow to be heated is. Other heating elements known in the prior art, such as Peltier elements, can also be used depending on the application.
- the heating element is used to heat the intake air. Due to the heat, the sucked-in air reaches a higher temperature. Due to the higher temperature, parts of the body, especially hands, can be dried after a washing process by the water or moisture on the hands evaporating through the warm air.
- the device is characterized in that the device comprises a disinfection chamber, into which components of the plasma, preferably comprising reactive oxygen and / or nitrogen species, are transported with the air flow, so that body areas, preferably hands, of germs within the disinfection chamber , bacteria and/or viruses are disinfected.
- a disinfection chamber into which components of the plasma, preferably comprising reactive oxygen and / or nitrogen species, are transported with the air flow, so that body areas, preferably hands, of germs within the disinfection chamber , bacteria and/or viruses are disinfected.
- the target molecules of the reactive species are potential pathogens present on the human skin of body areas, in particular the hands.
- Possible pathogens can be the mentioned germs, bacteria and/or viruses.
- Human hands touch countless objects every day, such as door handles, keyboards, kettles, books, etc., which tend to be used not only by one person but by a large number of people. Therefore, hand disinfection is particularly desirable.
- Amino acids form a common basic structure of germs, bacteria and/or viruses.
- Amino acids are chemical compounds with a nitrogen-containing amino group and a carbon and oxygen-containing carboxylic acid group.
- amino acids are found in all living things. They are the building blocks of proteins and are released when proteins are broken down.
- the reactive species in particular the singlet oxygen, reacts directly with the carbon double bonds of the amino acids in the nanosecond range. These are then oxidized to peroxides, which advantageously kill and/or inactivate the potential pathogens via protein, DNA, and/or membrane damage.
- the device is characterized in that there is a spatial separation between the disinfection chamber and the plasma generator, with the device preferably being designed as a two-chamber system, with a separation between a disinfection chamber accessible to human hands and a reaction chamber comprising the plasma generator being provided and wherein the airflow passes through the reaction chamber prior to entering the disinfection chamber.
- the spatial separation between the disinfection chamber and the reaction chamber is necessary because the reaction chamber must not be touched by body parts, especially hands. Since a high AC voltage is preferably applied to the plasma generator in order to create the plasma, touching it with your hands, for example, would be dangerous. Electric current flowing through a person can lead to electrical accidents, in particular to life-threatening injuries or even death. For this purpose, the term touch voltage is also a common term in the prior art.
- the spatial separation between the disinfection chamber and the reaction chamber is preferably large enough that the high AC voltage applied no longer poses a risk to the user and at the same time the lifetime of the reactive species is sufficient to reach the body areas, in particular the hands, to kill possible pathogens.
- the distance between the reaction chamber and the disinfection chamber can preferably be at least 1 cm and preferably up to 100 cm, particularly preferably up to 80 cm.
- the spatial separation between the reaction chamber and the disinfection chamber advantageously solves safety-critical factors.
- the invention relates to the use of the device according to the invention for disinfecting body areas, preferably hands.
- the device according to the invention can dry body areas, in particular hands, without contact and at the same time disinfect them. Additional disinfectants after hand washing and drying can therefore be dispensed with.
- the device according to the invention improves the quality of the surrounding room air, since the air sucked in by the fan is decontaminated.
- the invention relates to a method for disinfecting areas of the body using the device according to the invention, characterized in that an air flow is generated with the aid of the fan, which is guided through a plasma generator located in the air flow and reactive oxygen is present in an area of the plasma generator which is surrounded by the flow - and nitrogen species result with which body areas, preferably hands, are disinfected.
- the reactive species which are preferably generated by the plasma generator, are transported further into the disinfection chamber by the air flow and are present there in order to disinfect body areas, in particular hands. At the same time, the body areas, especially the hands, are dried. The water or moisture on the hands unfolds a disinfecting effect.
- the presence of peroxine nitrates preferably introduces another parallel process for disinfecting the body areas, preferably the hands, which reacts with the target molecules in a liquid phase according to the same principle of action. This is particularly the case when the body areas, preferably the hands, are still wet after washing.
- the water or the moisture on the hands advantageously develops a disinfecting effect, so that the disinfection takes effect during the drying process.
- FIG. 1 Representation of a preferred embodiment of the invention
- FIG. 2 representation of a further preferred embodiment of the invention
- FIG. 3 Representation of a plasma rod
- the device 1 is an illustration of a preferred device 1 for disinfecting and/or drying body areas, preferably hands.
- the device 1 comprises a fan 2 which draws in air from the environment and generates an air flow 4 . Heating elements not shown heat the intake air.
- the air flow 4 runs over a flow channel.
- a plasma generator 3 is included in the device.
- the plasma generator 3 is located within a reaction chamber.
- the configuration of the plasma generator 3 as an array is presented graphically.
- a high AC voltage is applied to the plasma generator 3 .
- a so-called cold plasma forms on the plasma generator 3 according to the principle of dielectric barrier discharge.
- reactive species are formed. In fact, not all reactive species are long-lived, but reactive oxygen (ROS) and nitrogen species (RNS) are an exception.
- ROS reactive oxygen
- RNS nitrogen species
- the ROS are as stable as singlet oxygen 1 Ü2 and/or radicals are formed that are also long-lived . This is how the superoxide radical O2 is formed in the plasma, which reacts with nitrogen monoxide to form reactive RNA comprising peroxynitrites ONOO and ONOOH.
- the singlet oxygen 1 Ü2 and the peroxynitrites ONOO and ONOOH are also shown in FIG.
- the small arrows indicate the direction in which these reactive species are transported. They reach a disinfection chamber 10 through the air flow 4, which is depicted by the long, curved arrow. Body areas, in particular hands, can be introduced and held inside the disinfection chamber for drying and/or disinfecting.
- the target of the reactive species or the target molecules are amino acids from possible pathogens such as fungi, spores, germs, bacteria and/or viruses.
- the singlet oxygen 1 Ü2 reacts with the carbon double bonds of the amino acids, which is not shown in FIG. 1, and oxidizes them to peroxides, which kill the potential pathogens through protein, DNA and/or membrane damage and/or disabled.
- a negative pressure prevails in the disinfection chamber, so that the air flow continues to an activated carbon filter 9 .
- the activated carbon filter 9 intercepts pollutants in the air flow.
- the pressure ratio between the negative pressure in the disinfection chamber 10 and the pressure in the environment means that no pollutants get into the environment. The process starts again with the cleaned air, so that a cycle is formed.
- FIG. 2 is an illustration of another preferred embodiment of the device 1 for disinfecting and/or drying body areas, preferably hands.
- This embodiment is preferably suitable for plasma outputs of up to 2 W.
- the ozone production is reduced, so that an activated carbon filter can be dispensed with.
- the air is sucked in by the fan 2 exclusively from the environment and is not circulated, but instead is released again into the environment.
- the air sucked in is again heated by heating elements, which are not shown.
- the air flow 4 which is visualized by the long arrows, is conveyed in the direction of the plasma generator 3 via the flow channel.
- Reactive species in particular ROS and RNS, form on the plasma generator 3 .
- the singlet oxygen 1 Ü2 and the peroxynitrites ONOO- and ONOOH are shown. These reactive species are transported further by the air flow 4, so that these body areas and/or the ambient air dry and/or disinfect.
- the singlet oxygen reacts with the amino acids of potential pathogens such as spores, fungi, germs, bacteria and/or viruses, which are then oxidized to peroxides, killing these pathogens via protein, DNA and/or membrane damage.
- the additional supporting process through the presence of peroxi nitrites reacts with the same effect and unfolds in particular when the hands still have a high moisture content after washing.
- FIG. 3 shows a possible structure of a plasma rod 5 which is encompassed by the plasma generator 3 .
- a wire 8 is wound on a dielectric tube 5 .
- Inside the dielectric tube 5 is an electrically conductive core 7.
- the wire 8 and the core 7 form a pair of electrodes.
- a so-called cold plasma occurs on the outside of the dielectric tube 5 according to the principle of dielectric barrier discharge.
- the reactive species mentioned are formed, which are conveyed further by the air flow 4, for example into the disinfection chamber 10, which is not shown in the figure.
- the air flow 4 flows around the plasma rod 5 in the transverse direction.
- the outer wire 8 is double and counter wound along the surface of the dielectric tube. This compensates for the inductance of the winding.
- the plasma only forms along the thin line of the wire winding.
- the wire 8 can be wound with almost any winding spacing, the spacing between the turns preferably being up to 10 times the outer diameter, preferably between 1 and 5 times, particularly preferably between 2 and 4 times the times that of the dielectric tube. Therefore, in spite of the high frequency and high AC voltage value, the power can be reduced to a desired level without reducing the length of the dielectric tube 6.
- the generation of reactive species can be distributed over a longer distance, namely the length of the dielectric tube 6, and over a larger area. A large flow profile can thus be supplied uniformly with reactive species.
- the surface of the dielectric tube 6 remains smooth.
- the surface of the dielectric tube 6 itself has high smoothness. This causes the air flow 4 to flow smoothly around it, the boundary layer in which the air adheres to the surface of the dielectric tube 6 being relatively thin. The air hardly flows in this boundary layer. Therefore, the reactive species must diffuse through this boundary layer. The boundary layer is disturbed at the points of the thin wire 8 , which improves the mixing of the reactive species with the air flow 4 .
- a device with a plasma generator as described herein with at least one plasma rod comprising a dielectric tube on which a wire is wound leads to particularly good results with regard to the disinfection of body areas, in particular hands.
- a previously described device for disinfecting body areas which has a fan 2 for generating an air flow 4 and a plasma generator 3 , the plasma generator 3 being located in the air flow 4 .
- the plasma generator 3 comprised two plasma rods 5, each of which had a dielectric tube 6 with an electrically conductive core 7 inside the dielectric tube 6.
- the dielectric (insulating) tube 6 was made of borosilicate glass and had an outside diameter of 8 mm. The inner diameter was 5 mm.
- the electrically conductive core 7 was in the form of a tube made of wire mesh (copper) and formed in dimensions such that the electrically conductive core 7 fits into the dielectric tube 6 .
- the wire 8 was made of a copper-nickel alloy and had a diameter of 0.4 mm.
- the wire 8 had eight turns distributed over a length of 80 mm, the wire 8 being characterized by a preferential reverse winding, in which the wire had four turns forward and four turns was wound backwards (with reversed sense of rotation) around the dielectric tube 6 .
- the pitch of the winding of the wire was about 20 mm in a winding direction, which was 2.5 times the outer diameter of the dielectric tube (8 mm).
- the two plasma rods 5 have been connected in series.
- the respective electrically conductive cores 7 or inner conductors were connected to two output terminals of a high-voltage generator, while on the outside of the dielectric (insulating) tubes 6 the wound wires 8 were connected to each other.
- the dielectric tubes 6 therefore form pairs of electrodes with the wires 8 wound on the respective outside, which generate a plasma when a voltage is applied.
- An AC voltage was used for the applied voltage.
- a high-voltage source was used as the voltage source, which allows high-voltage pulses with adjustable amplitude and repetition rate.
- Preferred voltage pulses are in the form of a decaying sine.
- the voltage essentially consisted of a positive and a similarly sized negative half-wave, followed by several post-oscillations.
- a decaying AC voltage frequency of approximately 180 kHz was used, although other frequencies, in particular between 1 kHz (kilohertz) and 500 kHz, can also be advantageously used.
- An AC voltage of 10kV peak-to-peak was used for the applied voltage.
- the repetition rate of the voltage pulses was approximately 1.5 kHz.
- the electrical power of the plasma generator with the aforementioned settings was approx. 1.5 W.
- the plasma source was located within the hand dryer used directly (approx. 10 mm) in front of the air outlet.
- the fan 2 for generating an air flow 4 was set for a volume flow of about 40 l/s (liters per second).
- the device used for the experiments did not have a heater.
- the air is blown out through several narrow slits by means of the device. This results in a high flow velocity at the outlet. This causes some of the moisture in the hands to be blown away. Further drying of the skin takes place via the rapid air flow and is supported by the fact that the air is heated as it passes through the fan 2 and due to the compression and friction in the fan 2 fan and the outlet slots.
- Example 2 Test method according to EN 1500 with Escherichia coli K12 using the example of 18 test persons
- Test standard EN 1500 (DIN EN 1500 chemical disinfectants and antiseptics - hygienic hand disinfection - test methods and requirements (phase 2/stage 2); German version EN 1500:2013)
- Nutrient medium Colichromic agar (Coliforme chromogenic agar, CCA) with inhibition of gram-positive accompanying flora and depiction of E.coli as dark blue to black colonies
- Table 1 Results of a test method using the device according to the invention according to EN 1500 with Escherichia coli K12 using the example of 18 test persons
- No. number of the test run (01-18 test persons for Hand Sanitizer HS 100; 19 test persons as control of the test procedure using an approved preparation)
- V1 Total volume of hands wash off
- V2 volume of batch from V1 applied to the plate
- CFU/plate colonies counted on the plate
- Dilution dilution factor of the dilution series under which the plate could be counted (2 to 100 CFU)
- CFU/test specimen germ count on the examined hands calculated taking into account CFU/plate and CFU/batch and dilution
- Log reduction factor calculated reduction factor between reference sample (left hand, not disinfected) and disinfection sample (right hand, HS 100 was used)
- Median log CFU/hand focus of the value distribution of the log. Reduction factors of subjects 01 to 18 The results of the logarithmic reduction factor are also shown in FIG.
- the German Society for Hygiene and Microbiology DGHM, as well as other professional associations and normative bodies define "disinfection" as an antiseptic measure, i.e. as a measure which eliminates infectivity through a microbiocidal effect and thus leads to an aseptic condition , i.e. leads to a state without an increased potential for infection.
- a final germ count after disinfection is achieved, which is so low that the disinfected objects, e.g. the hands, no longer pose a risk of infection.
- Disinfection is achieved by reducing a high initial germ load by a specific reduction factor. The reduction must take place to such an extent that the few remaining microorganisms no longer pose a risk of infection.
- the hands were washed with a non-microbiocidal soap and then dried for 20 seconds with the air stream of the dryer.
- the germ count of the hand (right hand) exposed to the method to be tested (plasma disinfection) is subjected to the germ count without intervention (left hand, this was contaminated with E. coli, but not the disinfection method using a device according to the invention).
- Germ reduction performances > 3 log levels are recommended as sufficient reduction factors, i.e. germ reduction > 1000-fold, or > 99.9% of the microorganisms are eliminated. In this case, a sufficient reduction in the microbiological load is achieved, so that the requirements for disinfection in the above sense are met.
- the microorganism Escherichia coli K12 used as a test germ is a test germ defined by EN 1500.
- the test germ can be seen as an indicator or as a "proxy”.
- a germ inactivation corresponding to the disinfection indicates that a large part of the relevant pathogens are also eliminated.
- the effectiveness of the method against E. coli indicates that the method is effective in efficacy class A of the Robert Koch Institute (RKI), with the exception of mycobacteria; as well as in the Wrktre B * .
- Effectiveness class B * describes a disinfection effectiveness against enveloped viruses (e.g. hepatitis B and C, Hl virus, measles virus, SARS-CoV-2 virus).
- enveloped viruses e.g. hepatitis B and C, Hl virus, measles virus, SARS-CoV-2 virus.
- the reduction performance therefore already meets the requirements of disinfection in the sense of reducing the number of germs by > 3 powers of ten (i.e. > 1000-fold reduction in the number of germs).
- the present results for carrying out a disinfection process using the device according to the invention even show a reduction performance of approximately 15,800 times. This means that out of 15,800 microorganisms only 1 survives. This corresponds to a > 99.99% reduction in the number of germs and at the same time significantly exceeds the requirements of EN 1500.
- a germ reduction performance of >4.25 or >4.24 powers of ten can be achieved by means of the device according to the invention with an exposure of 20 seconds in the air stream with plasma reaction products. This clearly exceeds the requirements of EN 1500.
- the effectiveness of the method corresponds to the effectiveness of a hand disinfectant recommended as a reference (subject 19) while at the same time protecting the physiological flora on site.
- a disinfection process using the device according to the invention does not require alcohol or other liquid biocides.
- Example 3 Test method according to EN 1500 with Enterococcus faecium using the example of 18 test persons
- Table 2 Results of a test method using the device according to the invention according to EN 1500 with Enterococcus faecium using the example of 18 test persons
- No. number of the test run (01-18 test persons for Hand Sanitizer HS 100; 19 test persons as control of the test procedure using an approved preparation)
- V1 Total volume of hands wash off
- V2 volume of batch from V1 applied to the plate
- CFU/plate colonies counted on the plate
- Dilution dilution factor of the dilution series under which the plate could be counted (2 to 100 CFU)
- CFU/test specimen germ count on the examined hands calculated taking into account CFU/plate and CFU/batch and dilution
- Log reduction factor calculated reduction factor between reference sample (left hand, not disinfected) and disinfection sample (right hand, HS 100 was applied)
- the German Society for Hygiene and Microbiology DGHM, as well as other professional associations and normative bodies define "disinfection" as an antiseptic measure, i.e. as a measure which eliminates infectivity through a microbiocidal effect and thus leads to an aseptic condition , i.e. leads to a state without an increased potential for infection.
- a final germ count after disinfection is achieved, which is so low that the disinfected objects, e.g. the hands, no longer pose a risk of infection.
- Disinfection is achieved by reducing a high initial germ load by a specific reduction factor. The reduction must take place to such an extent that the few remaining microorganisms no longer pose a risk of infection.
- the hands were washed with a non-microbiocidal soap and then dried for 20 seconds with the air stream of the dryer.
- the number of germs in the hand exposed to the procedure to be tested (plasma disinfection) (right hand) is compared with the number of germs without intervention (left hand). Hand, this was contaminated with Enterococcus faecium, but not subjected to the disinfection process using a device according to the invention.
- Germ reduction performances > 3 log levels are recommended as sufficient reduction factors, i.e. germ reduction > 1000-fold, or > 99.9% of the microorganisms are eliminated. In this case, a sufficient reduction in the microbiological load is achieved, so that the requirements for disinfection in the above sense are met.
- the Enterococcus faecium used as a test germ in the present example supplements E. coli of EN 1500 in order to investigate the effectiveness against gram-positive bacteria.
- test germ can be seen as an indicator or as a "proxy”.
- a germ inactivation corresponding to the disinfection indicates that a large part of the relevant pathogens are also eliminated.
- the effectiveness of the method against Enterococcus faecium indicates that the method is effective in efficacy class A of the Robert Koch Institute (RKI), with the exception of mycobacteria; as well as in the Wrktre B * .
- Effectiveness class B * describes a disinfection effectiveness against enveloped viruses (e.g. hepatitis B and C, Hl virus, measles virus, SARS-CoV-2 virus).
- enveloped viruses e.g. hepatitis B and C, Hl virus, measles virus, SARS-CoV-2 virus.
- the reduction performance therefore already meets the requirements of disinfection in the sense of reducing the number of germs by > 3 powers of ten (i.e. > 1000-fold reduction in the number of germs).
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Abstract
Die Erfindung betrifft bevorzugt eine Vorrichtung, die Körperbereiche, insbesondere Hände, berührungslos trocknet und desinfiziert. Die desinfizierende Wirkung wird von einem Plasmagenerator gebildet, welcher einen zur Handtrocknung erwärmten Luftstrom den desinfizierenden Effekt verleiht. Der Plasmagenerator erzeugt bevorzugt reaktive Plasmaspezies, die durch den Luftstrom an die menschliche Haut gebracht werden. Der Kontakt mit der Plasmaquelle und Hochspannungsbauteilen wird vermieden. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und ein Verfahren zum Desinfizieren menschlicher Haut.
Description
PLASMAQUELLE ZUR HANDDESINFEKTION
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft bevorzugt eine Vorrichtung, die Körperbereiche, insbesondere Hände, berührungslos trocknet und desinfiziert. Die desinfizierende Wirkung wird von einem Plasmagenerator gebildet, welcher einem Luftstrom zur Handtrocknung den desinfizierenden Effekt verleiht. Der Plasmagenerator erzeugt reaktive Plasmaspezies, die durch den Luftstrom an die menschliche Haut gebracht werden. Der Kontakt mit der Plasmaquelle und Hochspannungsbauteilen wird vermieden.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und ein Verfahren zum Desinfizieren menschlicher Haut.
Hintergrund und Stand der Technik
Die Körperhygiene, insbesondere die Handhygiene, ist in der heutigen Zeit zur Selbstverständlichkeit geworden. Händewaschen dient der Beseitigung von Schmutz und potenziellen Krankheitserregern. Es hat somit sowohl eine ästhetische als auch eine hygienische Funktion. Nach dem Waschen der Hände erfolgt das Trocknen, wobei neben Textil- oder Papiertüchern auch automatische Händetrockner im Stand der Technik bekannt sind.
Händetrockner erzeugen generell einen Luftstrom, der die Feuchtigkeit der Hände nach dem Waschen verringern und trocknen soll. Bei konventionellen Händetrocknern steht die Trocknung im Vordergrund. Eine zusätzliche hygienische Funktion der Händetrockner zur Desinfektion ist zumeist nicht gegeben.
Um neben der Wrkung als Trockner zudem eine Desinfektion strömender Luft, umströmter Körperbereiche oder ganzer Raumbereiche zu erzielen, sind im Stand der Technik auch Händetrockner und/oder Luftreiniger bekannt, die Plasmaquellen, lonenquellen oder UV-Strahler aufweisen. Mithilfe solcher Quellen werden Ionen, insbesondere reaktive Spezies, erzeugt. Die reaktiven Spezies reagieren mit den Zellen von potenziellen Krankheitserregern auf der Haut, sodass diese, beispielsweise durch Membran- und/oder DNA-Schäden, abgetötet werden. Händetrockner gemäß einer derartigen Wrkungsweise bieten daher eine vielversprechende Alternative zu den handelsüblichen - nur zur Trocknung vorgesehenen - Händetrocknern an.
Einige dieser im Stand der Technik bekannten Vorrichtungen werden im Folgenden kurz beschrieben.
In US 2004/0184972 A1 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung offenbart, welche Raumluft reinigen soll. Die Vorrichtung umfasst einen Plasmagenerator bzw. eine atmosphärisches Plasmagerät und ein Filtermedium. Das Filtermedium kann den gesamten Luftstrom aufnehmen und filtern. Das atmosphärische Plasma wird entweder durch ein elektrisches Hochfrequenzfeld (RF), ein elektrisches Wechselstromfeld (AC) oder ein Gleichstromfeld (DC) erzeugt. Die
Vorrichtung und das Verfahren dienen nicht der Desinfektion von Händen oder anderen Körperbereichen.
US 2007/0253860 A1 offenbart eine Vorrichtung und die Verwendung einer Vorrichtung, welche Raumluft reinigt. Dabei wird in einem ersten Schritt die Luft mit einer UV-Strahlungsquelle bestrahlt, um Mikroorganismen abzutöten. Die Luft wird in einem zweiten Schritt durch einen Katalysator geführt, um das bei der UV-Strahlung entstehende Ozon abzubauen. In einem dritten Schritt wird die Luft ionisiert.
US 2013/0233172 A1 beschreibt einen Raumluftreiniger, welcher mit einem Elektrofilter arbeitet. Das grundlegende Prinzip dieser Erfindung ist die Korona-Entladung. Die Korona-Entladung bildet sich hierbei durch das Anlegen einer hohen Spannung an einem dünnen Draht. Die dadurch freigesetzten Ladungsträger laden mit dem Luftstrom mitgeführte Partikel auf, welche sich anschließend an einer Metallplatte niederschlagen.
DE 102008 063 052 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Reinigung von Raumluft, insbesondere zur Vermeidung von Gerüchen. In dessen Gehäuse befindet eine Einrichtung zur Erzeugung von Plasma, so dass Keime oder unangenehme Gerüche beseitigt werden können.
WO 2015/032888 A1 beschreibt eine Desinfektionsvorrichtung und ein Verfahren zur Plasmadesinfektion von Oberflächen mit einem Plasmagenerator zur Erzeugung eines desinfizierenden Plasmagasstroms. Die Vorrichtung umfasst einen Aerosolgenerator zur Erzeugung einer wässrigen Partikel enthaltenen Aerosolstroms, wobei der Aerosolgenerator mit dem Plasmagenerator einen vermischten Plasmagasstrom im Desinfektionsbereich auf die zu desinfizierende Oberfläche leiten.
EP 1925190 B1 offenbart eine Plasmaquelle, insbesondere zur Desinfektion von Wunden, welche eine Ionisationskammer mit einem Einlass zur Einführung eines Gases in die Ionisationskammer und mehrere lonisationselektroden, die sich im Inneren der Ionisationskammer befinden, umfasst. Die lonisationselektroden ionisieren das Gas innerhalb der Ionisationskammer durch das Aussenden von Mikrowellen.
DE 102008054401 offenbart einen Trockner, in dem ein durch eine Gehäuseöffnung von außen zugänglichem Hohlraum zur Aufnahme mittels einer Luftströmung im Hohlraum zu trocknender Körperbereiche, insbesondere der Hände, ausgebildet ist. Zur Verminderung von Keimen in der Luftströmung wird eine Plasma- oder lonenquelle, bevorzugt eine Mikrowellen- oder Hochfrequenzquelle, verwendet.
In WO 2015/132368 A1 wird eine Desinfektionsvorrichtung offenbart, welche eine Elektrodenanordnung aufweist, die quer zu einem Luftströmungsweg angeordnet ist. Die Elektrodenanordnung bewirkt eine Plasmaentladung entlang ihrer Längsachse, sodass die durchströmte Luft dem Plasma ausgesetzt ist. Die Elektrodenanordnung besteht aus einem Gitter. Das Plasma bildet sich dabei nur an der Oberfläche des Dielektrikums, worauf sich eine erste Gitterstruktur befindet. Durch das engmaschige Gitter wird jedoch die Luftströmung stark
gebremst, sodass eine dicke Strömungsgrenzschicht entsteht. Dies verhindert eine gute Durchmischung von reaktiven Spezies des Plasmas, welche der Desinfektion dienen, mit der umgebenden Luft. Es kann sogar sein, dass sie teilweise in den Gitternetzen wieder abgebaut werden. Zudem ist durch die Struktur des Gitters die notwendige Leistung pro Oberfläche nur durch die Frequenz und die Spannung festgelegt. Eine Verringerung der Flächenleistung ist nur bedingt durch eine verringerte Spannung möglich, da ansonsten kein stabiles Plasma erzeugt werden kann. Zudem werden kleine Turbulenzen, welche durch das Plasma selbst erzeugt werden, durch die engen Maschen des Gitters abgefangen und können in Bezug auf eine Desinfektionswirkung nicht zum Tragen kommen.
Im Lichte des Standes der Technik besteht somit Bedarf an einem verbesserten System für eine effizientere Nutzung von Plasmaquellen zum Händetrocknen, Händedesinfizieren und/oder Raumluftdesinfizieren.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und eine verbesserte Vorrichtung zum Desinfizieren von Körperbereichen auf Basis einer Plasmaquelle in einem Luftstrom bereitzustellen. Insbesondere sollte eine Vorrichtung zum Desinfizieren von Körperbereichen bereitgestellt werden, welche sich durch eine besonders effektive Erzeugung und Transport reaktiver Plasmaspezies mit desinfizierender Wirkung zum gewünschten Desinfektionsbereich auszeichnet.
Zusammenfassung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Desinfizieren von Körperbereichen umfassend ein Lüfter zur Erzeugung eines Luftstroms und einen Plasmagenerator, wobei sich der Plasmagenerator im Luftstrom befindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmagenerator mindestens einen Plasmastab umfasst, weicher ein dielektrisches Rohr mit einem elektrisch leitenden Kern innerhalb des dielektrischen Rohres umfasst, das dielektrische Rohr auf einer Außenseite einen über zu Windungen gewickelten Draht aufweist, wobei der elektrisch leitende Kern mit dem auf der Außenseite gewickelten Draht ein Elektrodenpaar bildet, welches bei Anlegen einer Spannung ein Plasma erzeugt.
Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu eingerichtet, Körpereiche, insbesondere Hände, nach dem Waschen zu trocknen und zu desinfizieren. Dazu verursacht der Lüfter einen Luftstrom, der bevorzugt quer zum Plasmagenerator fließt. Während des Passierens des Luftstroms am Plasmagenerator entsteht bevorzugt ein sogenanntes kaltes Plasma durch das Prinzip der dielektrisch behinderten Entladung, auch dielektrische Barriereentladung oder stille elektrische Entladung genannt (engl.: dielectric barrier discharge). Bei der Entstehung dieses kalten Plasmas bilden sich vorzugsweise reaktive Sauerstoff- und Stickstoffspezies, die vom
fließenden Luftstrom mitgetragen werden und auf die nassen Körperbereiche, insbesondere die nassen Hände, nach dem Waschvorgang treffen. Ohne an eine bestimmte Theorie gebunden sein zu wollen, kann die vorteilhafte desinfizierende Wirkung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzugsweise zumindest teilweise auf die Bereitstellung derartiger reaktiver Sauerstoff- und Stickstoffspezies zurückgeführt werden. An nassen Körperbereichen treffen die reaktiven Sauerstoff- und Stickstoffspezies auf mögliche Krankheitserreger. Vorteilhaft reagieren insbesondere die reaktiven Sauerstoff- und Stickstoffspezies, vor allem das Singulett-Sauerstoff 1Ü2 mit den Kohlenstoff-Doppelbindungen der Aminosäuren von Sporen, Pilzen, Keimen, Bakterien und/oder Viren. Diese potenziellen Krankheitserreger werden durch DNA- und/oder Membranschäden abgetötet.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung entfaltet vorzugsweise also die Feuchtigkeit an Körperbereichen, beispielsweise an den Händen nach dem Händewaschen, eine desinfizierende Wirkung. Es ist vor allem von Vorteil, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung gleichzeitig als Trockner und Desinfiziererwirkt. Handelsübliche Trockner, insbesondere Händetrockner, die sich beispielsweise in den Toiletten von Betrieben, Restaurants, etc. befinden, erfüllen meistens lediglich die Funktion des Trocknens. Zum Desinfizieren der Hände werden oft handelsübliche Desinfektionsmittel, die sich in Behältern in Form einer Flüssigkeit befinden, am Waschbecken gestellt. Diese kann dann eine Person, nachdem er sieh die Hände gewaschen hat, nutzen. Solche Desinfektionsmittel bestehen aus chemischen Verbindungen, die zwar potenzielle Krankheitserreger abtöten, aber auch einen negativen Einfluss auf die darunter liegende Haut haben können, beispielsweise durch allergische Reaktionen. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird dies vorteilhafter umgangen, da keine Desinfektionsmittel benötigt werden. Stattdessen entfaltet vorzugsweise die Feuchtigkeit, die sich nach dem Waschen an den Körperbereichen, beispielsweise den Händen, befindet, eine desinfizierende Wirkung. Dies geschieht bevorzugt durch Lösen der reaktiven Sauerstoff- und Stickstoffspezies in der Flüssigkeit, welches sich beispielsweise an den Händen befindet, wodurch potenzielle Krankheitserregern abgetötet werden können.
Das in der erfindungsgemäßen Vorrichtung bevorzugt genutzte physikalische Prinzip der dielektrischen Barriereentladung, welches bevorzugt zum Bilden des Plasmas führt, soll im Folgenden näher erläutert werden.
Eine dielektrische Barriereentladung wird bevorzugt durch das Anlegen einer hohen Spannung zwischen zwei Elektroden erzeugt, wobei mindestens eine der Elektroden durch ein Dielektrikum isoliert ist. Durch die Verwendung der Isolierung wird das Entstehen einer Bogenentladung verhindert. Stattdessen bilden sich bevorzugt viele feine Plasmafilamente zwischen den Elektroden aus, die jedoch nur eine geringe Lebensdauer im Bereich von einigen Nanosekunden haben. Grund dafür ist die Ansammlung der Ladungsträger auf der Oberfläche des Dielektrikums, die ein Gegenfeld zu der von außen angelegten Spannung erzeugen, sodass die Entladung wieder erlischt. Daher wird eine Wechselspannung bei typischerweise einigen Kilohertz eingesetzt.
Die dielektrische Barriereentladung kann sowohl im Niederdruck als auch bei Atmosphärendruck erzeugt werden, wobei deren besonderen Eigenschaften vor allem bei Atmosphärendruck eingesetzt werden. Aufgrund der großen Masse der Ionen im Vergleich zu den Elektroden, können die schweren Ionen weit weniger Energie aus dem Wechselfeld aufnehmen als die leichteren und schnelleren Elektronen. Es handelt sich daher bevorzugt um ein nichtthermisches „kaltes“ Plasma, bei dem die Elektronen eine hohe Temperatur besitzen, das Neutralgas und die Ionen jedoch bei etwa Raumtemperatur vorliegen. Dadurch lassen sich auch temperaturempfindliche Materialien, wie beispielsweise die menschliche Haut und/oder die umgebende Luft, mit diesem Entladungstyp behandeln.
Die dielektrische Barriereentladung wird für vielfältige Anwendungen eingesetzt, darunter zur Ozonherstellung, als UV-Quelle, zur Luft- und Abwasserbehandlung, zur Entkeimung, sowie zur Aktivierung, Reinigung, Ätzung und Beschichtung von Oberflächen. Ein großer Vorteil der dielektrischen Barriereentladung ist es, dass sie durch flexible Elektroden- und Dielektrikumsanordungen in verschiedene Formen und Größen hergestellt und somit gut an eine bestimmte Anwendung angepasst werden kann.
Im Kontext der Erfindung wird die dielektrische Barriereentladung vorzugsweise zum Desinfizieren von Körperbereichen und/oder der umgebenden Luft eingesetzt.
Im Plasma entstehen zahlreiche reaktive Spezies. Jedoch sind nur wenige dieser reaktiven Spezies so langlebig, dass sie außerhalb des Entladungsbereichs noch ihre Wirkung entfalten. Eine Ausnahme stellen die reaktiven Sauerstoff- und Stickstoffspezies dar. Diese sind entweder stabil, wie der Singulett-Sauerstoff 1Ü2, und treten direkt mit den Zielmolekülen in Wechselwirkung oder es entstehen Radikale, die ebenfalls wieder langlebig sind. So entsteht im Plasma das Superoxid-Radikal (O2 ), das mit Stickstoffmonoxid (NO ) zu reaktiven Stickstoffspezies umfassend den Peroxinitriten (ONOO ) und (ONOOH) reagiert. Ohne an eine bestimmte Theorie der Wirkungsweise gebunden sein zu wollen, kann die vorteilhafte desinfizierende Wirkung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzugsweise zumindest teilweise auf der Bereitstellung der vorgenannten reaktiven Spezies zurückgeführt werden.
Beim Desinfizieren von Körperbereichen, insbesondere den Händen, werden die reaktiven Sauerstoff- und Stickstoffspezies bevorzugt entsprechend zu den betreffenden Stellen transportiert werden. Dies geschieht bevorzugt durch einen Luftstrom. Der Luftstrom entsteht bevorzugt durch einen Lüfter. Synonym kann für den Ausdruck „Lüfter“ auch der Begriff „Ventilator“ verwendet werden.
Ein Luftstrom bezeichnet im Sinne der Erfindung bevorzugt die Bewegung von Luft. Luft verhält sich fluidisch, d. h. Partikel fließen von Natur aus von Bereichen mit höherem Druck zu solchen, in denen der Druck niedriger ist.
Ein Lüfter bezeichnet im Sinne der Erfindung bevorzugt eine angetriebene Strömungsmaschine, die ein gasförmiges Medium, bevorzugt Luft, fördert. Dazu kann der Lüfter ein axial oder radial durchströmtes Laufrad aufweisen, das bevorzugt in einem Gehäuse der erfindungsgemäßen
Vorrichtung rotiert. Zwischen Ansaug- und Druckseite kann beispielsweise ein Druckverhältnis zwischen 1 und 1 ,3 erzielt werden. Strömungsmaschinen, die ein Druckverhältnis größer 1 ,3 erreichen, werden zumeist als Verdichter bezeichnet. Lüfter setzen stattdessen bevorzugt max.
25 kJ/(kg c K) um, was bei einer angenommenen Dichte von 1 ,2 kg/m3 (Luft) 30.000 Pa (Pascal) entspricht, daher der Faktor 1 ,3 laut DIN 5801 und 13349.
Im Stand der Technik sind verschiedene Bauformen von Lüftern bekannt, die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt werden können.
Axiallüfter sind sehr gebräuchliche Bauformen. Die Drehachse des Axiallaufrads verläuft parallel (axial) zum Luftstrom. Die Luft wird durch das Axiallaufrad ähnlich wie bei einem Flugzeug- oder Schiffspropeller bewegt. Axiallüfter erreichen bei geringen Abmessungen einen hohen Durchsatz. Das erreichbare Druckverhältnis ist kleiner als bei Radiallüftern. Der Druckaufbau entsteht dadurch, dass die einströmende Luft durch die Schaufeln des Laufrades umgelenkt wird und den Lüfter auf spiralförmigen Bahnen verlässt. Dabei hängt der Druckaufbau ab vom Winkel, den die Luftströmung relativ zum Schaufelprofil bildet. Soll mehr Druck erreicht werden, muss dieser Winkel vergrößert werden. Wird jedoch der Anströmwinkel zu groß, reißt die Profilströmung ab und der Lüfter arbeitet ineffizient und mit mehr Geräuschen.
Radiallüfter werden überall dort verwendet, wo es im Vergleich zu Axiallüftern auf eine größere Druckerhöhung bei gleicher Luftmenge ankommt. Die Luft wird axial (parallel zur Antriebsachse) des Radiallüfters angesaugt und durch die Rotation des Radiallaufrads um 90° umgelenkt und radial ausgeblasen. Man unterscheidet Laufräder mit rückwärtsgekrümmten Schaufeln (bei hohen Drücken und Wirkungsgraden), geraden Schaufeln (für Sonderzwecke wie etwa partikelbehaftete Strömungen, um Anhaftungen zu reduzieren) und vorwärtsgekrümmten Schaufeln (bei geringen Drücken und Wirkungsgraden). Es gibt einseitig und beidseitig ansaugende Radiallüfter mit und ohne Gehäuse. Die Luft wird meist an einem Flansch oder einen Rohrstutzen ausgeblasen. Um die Druckverluste durch die hohe Austrittsgeschwindigkeit aus dem Radialventilator zu minimieren, muss auf eine geeignete Gestaltung des weiterführenden Kanals geachtet werden (gegebenenfalls mit einem Diffusor).
Weiterhin sind sogenannte Diagonallüfter bekannt. Hierbei tritt die Luft nicht axial, sondern diagonal aus. Diagonallüfter haben bei gleicher Leistung und Größe einen größeren Luftdurchsatz und bauen einen höheren Druck auf, deshalb können sie zum Beispiel bei gleichem Effekt bei geringerer Drehzahl betrieben werden und sind somit leiser.
Bekannt sind auch Tangentiallüfter, die in Laufrichtung weisende Schaufeln haben. Bei den Tangentiallüftern wird die Luft zweimal durch das Lüfterrad geführt. Sie wird großflächig etwa über die halbe Oberfläche des Lüfterrads tangential angesaugt, durch das Innere des Rads geführt und ebenfalls tangential wieder abgegeben. Einen geringen Luftanteil befördert das Rad außen mit. Die Luft tritt dann meist über einen schmalen Spalt in der Breite des Lüfterrads auf der gegenüberliegenden Seite aus. Weiterhin sind auch Kompressoren die Druckluft erzeugen sowie durch zusätzliche Gleichspannungsquellen erzeugte lonenwinde bekannt.
Vorteilhaft können sämtliche der vorgenannten Varianten der Lüfter in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bevorzugt zum Einsatz kommen.
Die Ionen und/oder reaktive Sauerstoff- und Stickstoffspezies, welche vom Luftstrom an die umgebende Luft oder an die zu desinfizierende Körperbereiche geführt werden, werden durch den Plasmagenerator erzeugt.
Im Sinne der Erfindung bezeichnet ein Plasmagenerator ein Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung, durch welche ein Plasma und damit vorzugsweise die reaktiven Spezies entstehen.
Ein Plasmagenerator umfasst insbesondere mindestens ein dielektrisches Rohr mit einem leitenden Kern, wobei das dielektrische Rohr auf einer Außenseite einen umwickelten Draht aufweist.
Im Sinne der Erfindung kann das dielektrische Rohr auch als dielektrisch leitendes Rohr bezeichnet werden. Das dielektrische Rohr umfasst bevorzugt ein dielektrisches Material. Im Sinne der Erfindung bezeichnet ein dielektrisches Material bevorzugt ein Material, welches elektrischen Strom nicht oder nur sehr schwach leitet.
Das dielektrische Rohr weist auf seiner Außenseite einen Draht auf. Dieser Draht wird entlang dieser Außenseite zu Windungen gewickelt. Der elektrisch leitende Kern innerhalb und der zu Wndungen gewickelte Draht außerhalb des dielektrischen Rohres bilden ein Elektrodenpaar.
Das dielektrische Rohr mit dem Elektrodenpaar wird im Sinne der Erfindung auch als Plasmastab bezeichnet. Durch das Anlegen einer Spannung, bevorzugt einer Wechselspannung, entsteht vorzugsweise die dielektrische Barriereentladung und somit das Plasma und damit vorzugsweise die reaktiven Spezies entlang der Oberfläche des dielektrischen Rohres.
Vorzugsweise ist der Draht auf der Außenseite des dielektrischen Rohres doppelt und gegenläufig gewickelt. Damit wird die Induktivität, die diese Wicklung haben könnte, kompensiert. Durch die doppelte Wcklung wird ein Aufbau ähnlich wie bei einer Koaxialleitung erreicht, die keine elektromagnetischen Strahlen aussendet. Stattdessen können die stromdurchflossenen Wcklungen effektiv zur Erzeugung des Plasmas dienen. Um das dielektrische Rohr gelangt der Luftstrom durch den Lüfter bedingt vorzugsweise in Querrichtung.
Versucht man, eine dielektrische Barriereentladung auf eine große Wirkfläche zu verteilen, ist die thermische Instabilität zu beachten. Der Grund dafür liegt darin, dass Plasma dort leichter zündet, wo die Elektrode oder das Dielektrikum wärmer ist. Wenn die angelegte Spannung nur geringfügig über der zum Zünden notwendigen Spannung liegt, führt das dazu, dass das Plasma zumeist nur an den Stellen zündet, an denen die Temperatur erhöht ist. An anderen Stellen zündet es eventuell gar nicht mehr. Effektive Abhilfe kann geschaffen werden, indem die Spannung erhöht wird, was allerdings die Leistung steigert, oder die Frequenz herabgesetzt wird, was wiederrum eine Vergrößerung der evtl vorhandenen Transformatoren erfordert.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das Problem dadurch gelöst, dass das Plasma vorzugsweise nur entlang der dünnen Linie der Drahtwicklung zündet. Der Draht kann mit nahezu beliebigen Windungsabstand gewickelt werden. Somit lässt sich die Leistung trotz großer Frequenz und großer Spannung auf ein gewünschtes Maß reduzieren, ohne die Länge des Rohres zu verringern. Somit kann vorteilhafterweise die Erzeugung reaktiver Spezies auf eine größere Strecke bzw. auf eine größere Fläche verteilt werden und somit ein größeres Strömungsprofil gleichmäßig mit reaktiven Spezies versorgt werden.
Bevorzugt weist das dielektrische Rohr eine glatte Oberfläche auf. Vorzugsweise bezeichnet eine glatte Oberfläche eine Oberfläche, die ein Mittenrauwert zwischen 0 pm und 500 gm, bevorzugt 0 und 50 pm oder besonders bevorzugt bis zu 5 pm, bis zu 1 pm aufweist. Ein Fachmann weiß, dass der Mittenrauwert eine Größe zur Beschreibung der Rauigkeit bzw. der Glattheit ist, wobei der Mittenrauwert (Ra) dem arithmetischen Mittel der betragsmäßigen Abweichung von einer Mittellinie der Oberfläche angibt und im Allgemeinen mit pm (Mikrometer) als Einheit angegeben wird.
Vorteilhafterweise bewirkt die glatte Oberfläche des dielektrischen Rohres eine glatt anliegende Umströmung durch die Luft, wobei die Grenzschicht, in der die Luft an der Oberfläche des dielektrischen Rohres haftet, relativ dünn ist. Dieses ist insofern vorteilhaft, als dass die Luft in dieser Grenzschicht kaum strömt. Daher müssen die reaktiven Spezies durch diese Schicht hindurch diffundieren. Des Weiteren wird diese Grenzschicht an wenigen Stellen durch den gewickelten Draht gestört. Dies bringt Turbulenzen mit sich, was von Vorteil ist, da die Durchmischung der reaktiven Spezies mit der umströmten Luft erheblich verbessert wird.
Im Gegensatz zu WO 2015/132368 A1 wird also die Luftströmung nicht stark abgebremst, da der aufgewickelte Draht vorzugsweise nicht so engmaschig wie das Gitter ist. Die Grenzschicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist stattdessen vorzugsweise deutlich dünner, sodass die reaktiven Spezies mit der umströmten Luft besonders gut durchmischt werden. Zudem werden durch die dünne Grenzschicht reaktive Spezies in der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht nach der Erzeugung wieder abgebaut.
Zudem ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass Entladungsvorgänge selbst einen Einfluss auf Strömungen, insbesondere auf die umströmende Luft, haben können. Ein Grund dafür können Schallemissionen aufgrund der plötzlichen Erwärmung der Luft sein. Ein weiterer Grund kann der lonenwind sein. Beim lonenwind werden die Ionen, welche durch die Entladung am dünnen Draht erzeugt werden, von der Oberfläche des dielektrischen Rohres angezogen und reißen andere Gasteilchen mit sich. Diese Effekte sind zumeist schwach. Jedoch bewirken sie eine Strömung entlang der Oberfläche des dielektrischen Rohres, die umso stärker ist, je größer die Plasma-Leistung pro Drahtlänge ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmagenerator ein Array von mehreren Plasmastäben umfasst.
Im Sinne der Erfindung bezeichnet ein Array eine Anordnungsstruktur des Plasmagenerators bzw. der Plasmastäbe. Bevorzugt können mehrere Plasmastäbe, welche ein Array bilden, den Plasmagenerator darstellen.
Vorzugsweise ist das Array ein-, zwei-, und/oder dreidimensional ausgestaltet. Dabei sind die Plasmastäbe ein-, zwei und/oder dreidimensional bevorzugt durch Parallelschaltungen miteinander verschaltet. Eine Parallelschaltung ist von Vorteil, da bei Ausfall eines Plasmastabes die sonstigen Plasmastäbe des Plasmagenerators ihre Funktionstüchtigkeit beibehalten.
In weiteren Ausführungsform kann ebenso eine Reihenschaltung bevorzugt sein, von zwei oder mehr Plasmastäben. Im Falle einer symmetrischen Spannungsversorgung lassen sich so die zwei oder mehr Stäbe symmetrisch betreiben, woraus die elektromagnetische Emission nochmals vorteilhaft verringert wird.
Die Ausgestaltung als Array führt zu einer kompakten Bauweise des Plasmagenerators, sodass vorteilhafterweise eine hohe Anzahl an Plasmastäben verbaut werden kann.
Ein weiterer Vorteil der Arrayausgestaltung des Plasmagenerators ist die leichte und einfache Skalierbarkeit. Damit kann der Plasmagenerator ohne Weiteres konstruktiv und effizient an geplante Betriebs- und Lastzustände angepasst werden.
Des Weiteren ist die Ausgestaltung als Array dahingehend von Vorteil, dass dadurch eine streifen-, flächen- und/oder volumenförmige Applikation der dielektrischen Barriereentladung erfolgt, sodass die reaktiven Spezies großflächig gebildet werden können. Durch den Luftstrom können somit größere Körperbereiche getrocknet und gleichzeitig desinfiziert werden.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Rohr eine Wanddicke zwischen 0,5 mm und 3 mm, bevorzugt zwischen 1 mm und 2 mm, aufweist.
Im Sinne der Erfindung bezeichnet die Wanddicke bevorzugt die Differenz der inneren und äußeren Abmessungen des dielektrischen Rohres. Die Messung erfolgt dabei bevorzugt senkrecht zur Wandausdehnung bzw. senkrecht zur Körperachse. Zur Berechnung der Wanddicke des dielektrischen Rohres wird der Innen- und Außendurchmesser benötigt. Die Wanddicke ist ein wichtiger Parameter, um die Funktionalität von Bauteilen, insbesondere hinsichtlich ihrer Statik, Dynamik und Festigkeit, zu beschreiben.
Die angegeben Wanddicken zwischen 0,5 mm und 3 mm, bevorzugt zwischen 1 mm und 2 mm, haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen, insbesondere hinsichtlich der Stabilität und der Durchschlagsfestigkeit.
Zudem erhöhen die bevorzugten Wanddicken vorteilhafterweise die Durchschlagsfestigkeit und verhindern Spannungsdurchschläge.
Die Durchschlagsfestigkeit des dielektrischen Rohres ist bevorzugt jene elektrische Feldstärke E, welche in dem dielektrischen Rohr höchstens herrschen darf, ohne dass es zu einem Spannungsdurchschlag kommt. Sie wird dementsprechend auch als Durchschlagsfeldstärke bezeichnet. Sie berechnet sich aus der Durchschlagspannung U bezogen auf die Wanddicke d des dielektrischen Rohres E = -. d
Beim Spannungsdurchschlag bildet sich für eine gewisse Zeit ein Kanal, in welchem aus dem Material des dielektrischen Rohres durch Hitze und Ionisation ein elektrisch leitendes Plasma entsteht. Die vom Plasma ausgehende Strahlung, beispielsweise Ultraviolettstrahlung, schlägt vorzugsweise weitere Elektronen aus dem Material des dielektrischen Rohres, was die Leitfähigkeit im Kanal weiter erhöht. Je nach Stromquelle kann der Durchschlag als Funken schnell erlöschen oder als Lichtbogen weiter brennen. Häufig wird beim Spannungsdurchschlag das Isoliermaterial, hier das dielektrische Rohr, entlang der Strecke, die der Funken genommen hat, irreversibel verändert oder gar zerstört. Kunststoffe können durch die Hitze des Funkens teilweise verkohlen und sind dann als Isolator unbrauchbar. Daher gilt es Spannungsdurchschläge zu vermeiden. Die angegebenen Wanddicken verhindern vorteilhafterweise solche Spannungsdurchschläge auf besonders effektive Weise.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Rohr eine Länge von einem 4-fachen bis zu einem 30-fachen des Außendurchmessers des dielektrischen Rohres umfasst.
Die bevorzugten Längen haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da sie einerseits eine ausreichende Fläche zur Erzeugung des Plasmas bereitstellen und gleichzeitig eine hohe Stabilität des dielektrischen Rohres gewährleisten.
Das dielektrische Rohr umfasst bevorzugt typische Materialien, die für Dielektrika in Hochfrequenz-Anwendungen in Frage kommen. Bevorzugte Materialien für das dielektrische Rohr umfassen Polyethylen, Polytetrafluorethylen (PTFE), Keramik, beispielsweise Steatit und/oder Aluminiumoxid, Glimmer und/oder Glas, beispielsweise Borsilikatglas. Ein Fachmann weiß, dass ein Material für das dielektrische Rohr ausgesucht werden sollte, welches vorzugsweise zudem geringe dielektrische Verlustfaktoren aufweist.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass der Draht über mindestens eine zweifache Länge des Rohres gegenläufig zu Windungen aufgewickelt vorliegt und ein über die Länge des Rohres verteiltes Plasma in Abhängigkeit der angelegten Spannung erzeugt wird.
Im Sinne der Erfindung bezeichnet eine Windung eine um die Längsachse des dielektrischen Rohres verlaufende Aufwicklung des Drahtes entlang dessen Oberfläche. Daher kann eine Windung im Sinne der Erfindung auch als Wicklung bezeichnet werden. Vorzugsweise ähnelt die dabei entstehende geometrische Struktur einer Schrauben- oder Spiralform. Bevorzugt sind eine Mehrzahl von Windungen entlang einer Länge des Rohres, wobei jeweils eine Windung des Drahtes vorzugsweise einer Umrundung des dielektrischen Rohres entspricht und eine Mehrzahl
von Windungen bevorzugt einer Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Umrundungen des dielektrischen Rohres entlang einer Wcklungsrichtung entsprechen.
Durch eine gegenläufige Wcklung des Drahtes entlang der zweifachen Länge des dielektrischen Rohres ergeben sich vorteilhaft sogenannte Maschen, die durch je eine gegenläufige Aufwicklung des Drahtes gebildet werden. Eine gegenläufige Aufwicklung des Drahtes bezeichnet das Umschlingen des Drahtes entlang des dielektrischen Rohres, wobei mindestens eine Windung vorwärts und eine Wndung rückwärts mit umgekehrtem Drehsinn erfolgt.
Der Draht kann vorzugsweise händisch, durch Ätz- und/oder Klebverfahren an das dielektrische Rohr angebracht werden. Ebenso kann eine automatisierte Wcklung erfolgen. Es können dazu alle im Stand der Technik bekannten Verfahren eingesetzt werden.
Das Plasma bildet sich vorzugsweise entlang der dünnen Linie der Drahtwicklung durch das Anlegen einer hohen Spannung. Daher kann der Draht vorteilhafterweise mit nahezu beliebigen Wndungsabstand gewickelt werden. Somit kann die Leistung trotz großer Frequenz und großer Spannung auf ein gewünschtes Maß reduziert werden, ohne dabei die Länge des dielektrischen Rohres zu verringern. Bei der Bildung des Plasmas entstehen vorzugsweise reaktive Spezies, die damit auf eine größere Strecke, insbesondere auf die Länge des dielektrischen Rohres, und auf eine größere Fläche verteilt werden. Daher kann vorteilhafterweise ein größeres Strömungsprofil gleichmäßig mit reaktiven Spezies versorgt werden.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Wndungen des Drahtes einen Abstand zueinander bis zu einem 10-fachen des Außendurchmessers des dielektrischen Rohres, bevorzugt zwischen dem 1 -fachen Außendurchmesser und dem 10-fachen Außendurchmesser, mehr bevorzugt zwischen dem 1- fachen Außendurchmesser und dem 5-fachen Außendurchmesser, besonders bevorzugt zwischen dem 2-fachen und dem 4-fachen Außendurchmesser, aufweisen. Der Abstand der Wndungen meint bevorzugt die mittlere Distanz zwischen Wndungen des Drahtes in einer Wcklungsrichtung. Bevorzugt kann der Abstand zwischen Wndungen des Drahtes entlang der Längsachse auf einer Außenkontur des Drahtes gemessen werden. Im Falle einer Wcklung des Drahtes mit vier Wndungen in einer Wcklungsrichtung über eine Länge von 80 mm beträgt der Abstand beispielsweise ca. 20 mm.
Die Abstände der Wndungen haben sich dahingehend als besonders vorteilhaft erwiesen, dass durch die umströmende Luft vorzugsweise eine relativ dünne Grenzschicht entlang des dielektrischen Rohres entsteht. Durch die dünne Grenzschicht können sich die reaktiven Spezies, die während der Plasmabildung entstehen, besonders gut mit der umströmenden Luft vermischen und diese zu trocknende und/oder desinfizierende Körperbereiche befördern. Eine dicke Grenzschicht wird durch die angegebenen Abstände der Wndungen des Drahtes vermieden, welche wiederrum eine besonders gute Durchmischung der reaktiven Spezies nachteilig behindern würde.
Begriffe wie im Wesentlichen, ungefähr, etwa, ca. etc. beschreiben bevorzugt einen Toleranzbereich von weniger als ± 20%, bevorzugt weniger als ± 10 %, noch stärker bevorzugt weniger als ± 5% und insbesondere weniger als ± 1 %. Angaben von im Wesentlichen, ungefähr, etwa, ca. etc. offenbaren und umfassen stets auch den exakten genannten Wert.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird die Luft, insbesondere die reaktiven Spezies, die sich durch das Plasma bilden, vorzugsweise entlang der Wicklung des Drahtes durch die Luftdurchströmung ausgetauscht. Insbesondere können die reaktiven Spezies durch die umströmende Luft, welches das dielektrische Rohr bevorzugt in Querrichtung passiert, die umgebende Luft außerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung gut erreichen.
Diese vorteilhaften Effekte stellen erhebliche Unterschiede zum Stand der Technik dar. Beispielsweise ist durch die Gitterstruktur in WO 2015/132368 A1 ein Austausch von Luft und damit reaktiven Spezies in den engen Gitterstrukturen in geringerem Maße möglich, sodass die reaktiven Spezies im Plasma selbst sogar abgebaut werden können und damit die zu trocknenden und/oder desinfizierenden Körperbereiche und/oder die Umgebungsluft nicht erreichen. Durch die Drahtwicklung, insbesondere durch die bevorzugten Abstände der Windungen des Drahtes wird dies vorteilhafterweise umgangen.
Der Draht zur Aufwicklung des dielektrischen Rohres kann Materialien umfassen, die im Stand der Technik als gute Leitermaterialien bekannt sind. Diese können vorzugsweise Materialien wie Eisen, Stahl, Messing, Aluminium, Gold, Titan, Kupfer und/oder Kupferlegierungen sein. Bevorzugt sind Materialien, die elektrisch leitend sind und eine hohe Korrosionsbeständigkeit haben. Der Begriff der Korrosion ist in der DIN EN ISO 8044 definiert. Ein Fachmann ist in der Lage, geeignete Materialien für den Draht auszuwählen.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass der Draht einen Durchmesser zwischen 0,1 mm und 1 mm, bevorzugt zwischen 0,2 mm und 0,4 mm, aufweist.
Vorzugsweise weist das dielektrische Rohr eine glatte Oberfläche auf. Dies ist von Vorteil, da die glatte Oberfläche des dielektrischen Rohres für eine glatte Umströmung der Luft mit verantwortlich ist, wobei die Grenzschicht entlang des dielektrischen Rohres relativ dünn ist, wobei die Grenzschicht selbst kaum strömt. Die genannten Ausmaße hinsichtlich des Durchmessers des Drahtes wirken sich insbesondere für die Ausbildung einer dünnen Grenzschicht vorteilhaft aus. Dadurch, dass der Draht so geringe Ausmaße aufweist, bleibt die glatte Oberfläche des dielektrischen Rohres erhalten, was von Vorteil für die Umströmung der Luft ist, da die Luft selbst glatt das dielektrische Rohr umströmt. Des Weiteren wird die dünne Grenzschicht vorzugsweise durch den dünnen Draht ein wenig gestört. Dies führt zu kleinsten Turbulenzen, was allerdings vorteilhaft ist, da die reaktiven Spezies mit der umströmten Luft nochmals deutlich besser durchmischt werden.
Das durch die erfindungsgemäße Vorrichtung entstandene Plasma bzw. die dielektrische Barriereentladung übt vorzugsweise selbst einen Einfluss auf die umströmende Luft aus. Das
sind einerseits Schallemissionen, was durch die Erwärmung der Luft bedingt ist, und andererseits ein lonenwind, worin an dem Draht entstandene Ionen von der Oberfläche des dielektrischen Rohres angezogen werden und andere Gasteilchen mit sich reißen. Zwar sind diese Effekte relativ schwach, jedoch bewirken sie eine Strömung entlang der Oberfläche des dielektrischen Rohres, die umso stärker ist, desto größer die Leistung des Plasmas pro Drahtlänge ist.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Kern einen Draht umfasst. Dabei kann der elektrisch leitfähige Kern ein Volldraht oder ein Rohr sein, der vorzugsweise von seinen Ausmaßen so ausgebildet ist, dass er in das dielektrische Rohr hineinpasst. Beispielsweise kann der elektrisch leitende Kern in Form eines Rohres ausgebildet werden, welches aus einem Drahtgeflecht besteht und von den Ausmaßen derart ausgebildet ist, dass der elektrisch leitenden Kern in das dielektrische Rohr hineinpasst.
Der elektrische leitfähige Kern und der aufgewickelte Draht entlang des dielektrischen Rohres bilden ein Elektrodenpaar. Durch das dielektrische Rohr wird der leitfähige Kern vorzugsweise von der umströmten Luft abgeschirmt. Auch zwischen elektrisch isolierten Elektroden bildet sich ein elektrisches Feld aus. Ist die Feldstärke groß genug, dann kommt es zur elektrischen Entladung. Es kommt aber durch die Isolierung vorzugsweise nicht zu einem Stromfluss, deshalb auch nicht zur Erhitzung des Gases. Daher stammt auch der Ausdruck „kaltes Plasma“. Die Elektronen wandern zur nächsten Elektrode und können vorzugsweise durch die Isolierung nicht abfließen. Die resultierende Aufladung kompensiert vorzugsweise nach kürzester Zeit das angelegte Hochspannungsfeld und bringt die Entladung zum Erlöschen. Um die Gasentladung aufrecht zu erhalten, ist es daher bevorzugt die Anregung mit einer hochfrequenten Wechselspannung vorzunehmen, welche an den beiden Elektroden angelegt wird. An sich ist der Transport von Ionen durch das beschriebene Prinzip der dielektrischen Barriereentladung vorzugsweise weitestgehend unterdrückt, jedoch können durch den zugeführten Luftstrom, der bevorzugt durch den Lüfter resultiert, diese transportiert und insbesondere zur Desinfektion genutzt werden.
Das Prinzip der dielektrischen Barriereentladung weist weitere Vorteile auf. Insbesondere weist die dielektrischen Barriereentladung eine hohe Effizienz auf, da an den Elektroden keine Ladungsträger ein- oder austreten müssen. Damit fällt der Kathodenfall weg, sodass keine Glühemission notwendig ist. Insbesondere ist es ein Vorteil, dass bei normaler Luftatmosphäre, vor allem in der umströmten Luft, sich die Wirkung der dielektrischen Barriereentladung entfalten kann.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Spannungsquelle und/oder einen Transformator zur Bereitstellung einer gewünschten Spannung umfasst, wobei es sich bevorzugt um eine Wechselspannung handelt.
Ein Transformator umfasst bevorzugt zwei oder mehr Spulen, die sich meist aus isoliertem Kupferdraht gewickelt sind und sich an einem gemeinsamen Magnetkern befinden. Der Transformator wandelt eine Eingangswechselspannung, die an einer der Spulen angelegt ist, in eine Ausgangswechselspannung um, die an der anderen Spule abgegriffen werden kann.
Dabei ist bekannt, dass man die Spule als Primärspule, an die von außen eine Wechselspannung UP angelegt wird und die Spule, an der die Ausgangsspannung Us abgegriffen wird, als Sekundärspule bezeichnet. Eine Wechselspannung auf der Primärspule des Transformators bewirkt entsprechend dem Induktionsgesetz einen wechselnden magnetischen Fluss im Kern. Der wechselnde magnetische Fluss wiederum induziert auf der Sekundärspule des Transformators eine Spannung, was man auch als Spannungstransformation bezeichnet. Ein Wechselstrom in der Sekundärwicklung bewirkt dem Ampereschen Gesetz entsprechend einen Wechselstrom in der Primärwicklung, was auch als Stromtransformation bekannt ist. Das Spannungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärspule ist durch das Verhältnis ihrer Windungszahlen gemäß der Transformatorgleichung gegeben. Durch geeignete Wahl der Windungszahlen können somit mit einem Transformator Wechselspannungen sowohl hoch-als auch heruntertransformiert werden.
Während bei einer Gleichspannung immer die gleiche Polarität und damit bei einem Gleichstrom die gleiche Flussrichtung vorliegt, wird eine Spannung, deren Polarität sich periodisch ändert, bevorzugt als Wechselspannung bezeichnet. Entsprechend ändert sich die Flussrichtung des Wechselstromes bevorzugt periodisch. Spannung und Stromstärke müssen nicht unbedingt den zeitlichen Verlauf einer Sinusfunktion besitzen. Allerdings ist der sinusförmige Wechselstrom technisch am weitesten verbreitet, da er bei der Stromgewinnung in Wechselstromgeneratoren entsteht.
Bei Wechselspannungen bzw. Wechselströmen gibt man in der Regel die Effektivwerte für Spannung und Stromstärke an. Sie unterscheiden sich von den mittleren Werten und von den Maximalwerten.
Unter dem Effektivwert einer Wechselspannung versteht man bevorzugt diejenige zeitlich konstante Spannung (Gleichspannung), die am gleichen Widerstand R in der gleichen Zeit die gleiche Energie wie die Wechselspannung liefert.
Unter dem Effektivwert eines Wechselstroms versteht man bevorzugt diejenige zeitlich konstante Stromstärke (Stromstärke eines Gleichstroms), die am gleichen Widerstand R in der gleichen Zeit die gleiche Energie wie der Wechselstrom liefert.
Es kann auch bevorzugt sein, dass eine Gleichspannung angelegt und diese durch einen Wechselrichter in eine Wechselspannung umgewandelt wird. Ein Fachmann kennt Möglichkeiten, um für eine Zufuhr einer Wechselspannung zu sorgen, womit die erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt versorgt wird.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die angelegte Spannung eine Wechselspannung ist, bevorzugt mit einem Effektivwert zwischen 1 kV (Kilovolt) und 10 kV und/oder einer Frequenz zwischen 1 kHz (Kilohertz) und 500 kHz.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die angelegte Spannung eine Wechselspannung ist, bevorzugt mit einem Spitze-Spitze- Wert zwischen 3 kV (Kilovolt) und 15 kV und/oder einer Frequenz zwischen 1 kHz (Kilohertz) und 500 kHz.
Für die Wechselspannung kann beispielsweise sowohl ein sinus- und/oder ein rechteckförmiger Spannungsverlauf gewählt werden.
Ein sinusförmiger Spannungsverlauf wird auch als Sinusspannung bezeichnet. Mathematisch beschrieben ist er durch das Produkt aus dem Scheitelwert der Wechselspannung und der Sinusfunktion, wobei als Argument der Sinusfunktion das Produkt aus Kreisfrequenz und Zeit gebildet, wobei dieses Produkt auch als Phasenwinkel bezeichnet wird.
Ein rechteckförmiger Spannungsverlauf bezeichnet bevorzugt ein periodisches Signal, das zwischen zwei Werten hin und her schaltet und in einem Diagramm über der Zeit einen rechteckigen Verlauf aufweist.
Es kann auch bevorzugt sein, dass andere Signalverläufe eingesetzt werden, beispielsweise ein dreieckiger, sägezahnförmiger oder trapezförmiger Spannungsverlauf. Ebenso kann es bevorzugt sein Hochspannungspulse mit verschiedener Amplitude oder Wiederholrate einzusetzen, um eine abklingenden Wechselspannung bereitzustellen. Bevorzugte Spannungspulse können beispielsweise die Form eines abklingenden Sinus aufweisen. Hierbei kann die Spannung bevorzugt im Wesentlichen aus einer positiven und einer ähnlich großen negativen Halbwelle zusammengesetzt sein, gefolgt von mehreren Nachschwingern. Für die Frequenz einer abklingenden Wechselspannung können beispielsweise zwischen 100 kHz (Kilohertz) und 1000 kHz, vorzugsweise 500 kHz bis 1000 kHz eingesetzt werden, wobei eine Wiederholrate der Spannungspulse beispielsweise aus einem Bereich von 100 Hz bis 10 kHz ausgewählt sein kann.
Die Wahl der Signalverläufe der bevorzugten Wechselspannung kann von einem Fachmann gehandhabt werden, wofür er sich je nach Anwendungsfall entscheiden kann.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma ein Teilchengemisch auf atom-molekularer Ebene umfasst, bevorzugt reaktive Sauerstoff- und Stickstoffspezies.
Ein Plasma bezeichnet im Sinne der Erfindung bevorzugt ein Teilchengemisch aus Ionen, freien Elektronen und meist auch Atomen und/oder Molekülen. Ein Plasma enthält also freie Ladungsträger. Der lonisationsgrad eines Plasmas kann weniger als 1 % betragen, aber auch
100 % (vollständige Ionisation). Eine wesentliche Eigenschaft von Plasmen ist ihre elektrische Leitfähigkeit.
Im Falle der dielektrischen Barriereentladung ist das Plasma, bevorzugt das schon erwähnte kalte Plasma, nichtthermisch, d. h. das Plasma befindet sich nicht im thermischen Gleichgewicht. Konkret bedeutet dies, dass sich die Temperaturen der enthaltenen Teilchensorten signifikant unterscheiden.
In der dielektrischen Barriereentladung wird trotz eines normalen Luftdrucks ein Plasma weit ab vom thermischen Gleichgewicht erzeugt. Durch die hochfrequente Wechselspannung bilden sich bevorzugt mit jeder Periode winzige Entladungskanäle. Diese Entladungskanäle werden im Stand der Technik auch als „Streamer“ bezeichnet. Da die Entladungskanäle nur einen Bruchteil des gesamten Entladungsvolumens ausmachen und die Zeitdauer der Entladung durch die kapazitive Kopplung stark begrenzt ist, bleibt die mittlere Gastemperatur in der Entladung niedrig und damit in der Nähe der Raumtemperatur.
Insbesondere sind im Plasma zahlreiche reaktive Spezies enthalten, bevorzugt reaktive Sauerstoff- und Stickstoffspezies. Reaktive Spezies zeichnen sich dadurch aus, dass sie hochreaktiv sind und im Kontext der Erfindung eine desinfizierende Wirkung entfalten können.
Die reaktiven Sauerstoff- und Stickstoffspezies sind deshalb bevorzugt für die erfindungsgemäße Vorrichtung, da diese derart langlebig sind, dass sie auch außerhalb des Entladungsbereichs wirken können. Insbesondere sind sie über einen Zeitraum stabil, dass sie von der umströmten Luft zu desinfizierende Körperbereiche, insbesondere den Händen, und/oder der Umgebungsluft befördert werden können.
Reaktive Sauerstoffspezies ( englisch reactive oxygen species, ROS) werden auch vereinfachend als „Sauerstoffradikale“ bezeichnet. ROS sind hochreaktive Sauerstoff-enthaltende Moleküle. Reaktive Stickstoffspezies ( englisch reactive nitrogen species, RNS) sind hochreaktive Stickstoffverbindungen.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die reaktiven Sauerstoffspezies Singulett-Sauerstoff 1Ü2 und Hyperoxid-Anionen und die reaktiven Stickstoffspezies Stickstoffmonoxid umfasst, wobei das Stickstoffmonoxid mit den Hyperoxid-Anionen zu Peroxinitriten ONOO- und ONOOH reagiert.
Insbesondere sind die ROS bevorzugt ebenso stabil wie der Singulett-Sauerstoff und treten mit den Zielmolekülen in Wechselwirkung und/oder es entstehen weitere Radikale, die gleichfalls langlebig sind. Bevorzugt entstehen im Plasma Hyperoxid-Anionen O2 , die Stickstoffmonoxid zu den eben erwähnten RNS Peroxinitriten ONOO- und ONOOH oxidieren.
Die Reichweite der Wirkung lässt sich gut über die Lebensdauer der reaktiven Spezies berechnen. Beispielsweise kann die mittlere Strömungsgeschwindigkeit der umströmten Luft durch den Lüfter ca. 16 m/s betragen. Peroxinitrite haben eine Lebensdauer von ca. 10 ms, sodass sie in 16 cm Entfernung vom Plasmagenerator noch wirken können.
Der Singulett-Sauerstoff beispielsweise weist eine Lebensdauer von ca. 50 ms auf, sodass mit dem Singulett-Sauerstoff sogar noch längere Entfernungen von ca. 80 cm vom Plasmagenerator aus möglich sind. Eine effiziente Desinfektion von Körperbereichen, insbesondere Händen, und/oder der umgebenden Raumluft ist insbesondere möglich, wenn der Luftstrom mit einer ausreichend hohen Menge an reaktiven Spezies angereichert ist. Der Plasmagenerator umfassend den Plasmastäben ermöglicht vorteilhafterweise die optimale Anreicherung mit ROS und/oder RNS.
Insbesondere kann im Plasma zudem Ozon O3 entstehen. Ozon, bei Standardbedingungen ein Gas, ist ein starkes Oxidationsmittel, das selbst bei Raumtemperatur seine Oxidationswirkung entfaltet. Durch seine starke Oxidationswirkung ist das Gas bereits bei Raumtemperatur instabil. Die Wirkung des Ozons entsteht durch den bei der Zersetzung des Moleküls entstehenden atomaren Sauerstoff, der selbst hoch reaktiv ist und oxidativ wirkt. Ozon ist damit als sogenannter „aktiver Sauerstoff quasi ein Träger dieses reaktiven atomaren Sauerstoffs. Gerade die desinfizierende Wirkung von Ozon auf organische Verbindungen, zum Beispiel Bakterien oder Viren, ist es, die die Ozonbehandlung zu einem wichtigen Verfahren macht. Im Gegensatz zum Chlor als alternatives Oxidations- und/oder Desinfektionsmittel ist die Ozonbehandlung vor allem weitgehend umweltschonend. Die durch das Ozon zersetzten Verbindungen sind biologisch abbaubar und selbst das nach der Zersetzungsreaktion unverbrauchte Ozon zerfällt selbstständig, wobei lediglich Sauerstoff als Zersetzungsprodukt verbleibt. Das kalte Plasma durch die dielektrische Barriereentladung wird im Plasmagenerator erzeugt. Wird nun reiner Sauerstoff durch den Plasmagenerator geleitet, werden die Sauerstoffmoleküle in atomaren Sauerstoff gespalten, die sich dann zu Ozon rekombinieren können.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom in einem Kreislauf zirkuliert, wobei die Vorrichtung bevorzugt einen Aktivkohlefilter im zirkulierenden Luftstrom umfasst, welcher Schadstoffe des Luftstromes abfängt.
Die durch den Plasmagenerator reaktiven Spezies werden vom Luftstrom weitergetragen, insbesondere in eine Desinfektionskammer, wo die Körperbereiche, insbesondere die Hände, zum Trocknen und/oder Desinfizieren gehalten werden können. In der Desinfektionskammer herrscht vorzugsweise ein Unterdrück, sodass der Luftstrom weiter zum Aktivkohlefilter gelangen kann. Das Druckverhältnis zwischen dem Unterdrück in der Desinfektionskammer und dem Druck in der Umgebung ist von großem Vorteil, da dadurch keine Schadstoffe in die Umgebung gelangen können. Mit der gereinigten Luft beginnt der Prozess von Neuem, sodass sich ein Kreislauf bildet.
Im Sinne der Erfindung bezeichnen Aktivkohlefilter bevorzugt Filter, die Aktivkohle enthalten. Ein Filter hält aus dem Luftstrom unerwünschte Substanzen zurück, ähnlich wie bei einem Sieb. Aktivkohle besitzt bevorzugt eine sehr große innere Oberfläche, die gelöste Partikel adsorbiert. Der Kohlenstoff wirkt zusätzlich als Reduktionsmittel und kann Oxidationsmittel wie beispielsweise Ozon und/oder Chlor aus dem Luftstrom aufnehmen. Bei der Filterung und
Adsorption werden die zu entfernenden Substanzen von der Aktivkohle aufgenommen und in der Kohlenstoffmasse angereichert. Bei der Reduktion wird der Kohlenstoff im Gegensatz hierzu zum Teil bis zum Kohlenstoffdioxid oxidiert und damit verbraucht. Die Aktivkohlemenge verringert sich und muss gelegentlich nachgefüllt werden. Durch die Filterung aufgenommener Stoffe, insbesondere Feststoffe, erhöht sich der Filterwiderstand. Durch Rückspülungen aus dem Filterbett müssen die aufgenommenen Stoffe, insbesondere die Feststoffe, wieder entfernt werden. Gegebenenfalls ist auch die Regeneration des Filters durch Waschen, Erhitzung oder Austausch der Aktivkohle möglich. Durch Adsorption aufgenommene Substanzen reichern sich in der Kohle an. Je nach Aktivkohlentyp und der Art der adsorbierten Substanzen sind Anreicherungen von 10 bis etwa 20 Gewichtsprozent möglich, bevor es zu einem Durchbruch kommt.
Aktivkohle, kurz A-Kohle, auch medizinische Kohle genannt, ist poröser, feinkörniger Kohlenstoff mit großer innerer Oberfläche, der oft als Adsorptionsmittel eingesetzt wird. Aktivkohle kommt granuliert oder gepresst in Tablettenform (Kohlekompretten) zum Einsatz. Die Poren sind offenporig und wie bei einem Schwamm untereinander verbunden.
In einerweiteren Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass der Lüfter Luft aus einer Umgebung ansaugt und nach einem Durchströmen des Plasmagenerators in die Umgebung ausgesetzt wird.
Vorzugsweise ist in dieser Ausführungsform die Plasmaleistung weniger als 10 W (Watt), bevorzugt zwischen 1 W (Watt) und 10 W, besonders bevorzugt ca. 2 W oder weniger. Damit reduziert sich die Ozonproduktion auf ein zulässiges Maß, sodass auf einen Aktivkohlefilter verzichtet werden kann. Hierbei wird die Luft ausschließlich aus der Umgebung durch den Lüfter angesaugt. Der Luftstrom wird weiterhin vom Lüfter in Richtung des Plasmagenerators gebracht und anschließend zum Trocknen und/oder Desinfizieren auf Körperbereiche, insbesondere Hände, überführt. Allerdings wird die Luft nicht in einen Kreislauf gebracht, sondern in die Umgebung ausgesetzt. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, da mehr reaktive Spezies in die Umgebung abgegeben werden, sodass diese in der Raumluft selbst Sporen,
Viren, Keime und/oder Bakterien, beispielsweise in Aerosolen, abtöten können.
Sowohl die Ausführungsform der Nutzung eines Luftstromkreislaufes als auch die Variante ohne die Nutzung eines Kreislaufes führen vorteilhafterweise zu einer Verbesserung der Raumluft, da die angesaugte Luft durch den Lüfter stets dekontaminiert wird.
In einerweiteren Ausführungsform ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass der Lüfter mit einem oder mehreren Heizelementen ausgestattet ist.
Im Sinne der Erfindung bezeichnet ein Heizelement eine Vorrichtung, die der angesaugten Luft Wärme zuführt. Elektrische Heizelemente sind die verbreitetste Form der Heizelemente. Elektrische Heizelemente wandeln elektrischen Strom in Wärme um. Meist beinhalten sie eine stromdurchflossene Heizwendel, die gegenüber dem zu erwärmenden Luftstrom elektrisch isoliert
ist. Auch andere im Stand der Technik bekannte Heizelemente, wie zum Beispiel Peltier- Elemente, können je nach Anwendungsfall eingesetzt werden.
Das Heizelement dient der Erwärmung der angesaugten Luft. Durch die Wärme erreicht die angesaugte Luft eine höhere Temperatur. Durch die höhere Temperatur können Körperbereiche, insbesondere Hände, nach einem Waschvorgang getrocknet werden, indem das Wasser bzw. die Feuchtigkeit an den Händen durch die warme Luft verdunstet.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Desinfektionskammer umfasst, in welche Bestandteile des Plasmas, bevorzugt umfassend reaktive Sauerstoff- und/oder Stickstoffspezies, mit dem Luftstrom transportiert werden, sodass innerhalb der Desinfektionskammer Körperbereiche, bevorzugt Hände, von Keimen, Bakterien und/oder Viren desinfiziert werden.
Die Zielmoleküle der reaktiven Spezies sind insbesondere mögliche Krankheitserreger, die sich auf der menschlichen Haut von Körperbereichen, insbesondere den Händen, befinden. Mögliche Krankheitserreger können die erwähnten Keime, Bakterien und/oder Viren sein. Die menschlichen Hände berühren täglich unzählige Gegenstände, beispielsweise Türgriffe, Tastaturen, Wasserkocher, Bücher etc., die tendenziell nicht nur von einer Person, sondern von einer hohen Anzahl an Menschen verwendet werden. Daher ist eine Desinfektion der Hände besonders wünschenswert.
Eine gemeinsame Grundstruktur von Keimen, Bakterien und/oder Viren bilden Aminosäuren. Aminosäuren sind chemische Verbindungen mit einer Stickstoff enthaltenden Aminogruppe und einer Kohlenstoff und Sauerstoff enthaltenden Carbonsäuregruppe. Insbesondere umfassen einige Aminosäuren eine Kohlenstoff-Doppelbindung C=C. Tatsächlich kommen Aminosäuren in allen Lebewesen vor. Sie sind die Bausteine der Proteine und werden frei bei der Zerlegung von Proteinen.
Die reaktiven Spezies, insbesondere der Singulett-Sauerstoff, reagiert im Nanosekundenbereich direkt mit Kohlenstoff-Doppelbindungen der Aminosäuren. Diese werden dann zu Peroxiden oxidiert, welche vorteilhafterweise die möglichen Krankheitserreger über Protein-, DNA-, und/oder Membranschäden abtöten und/oder inaktivieren.
Ein zusätzlich unterstützender Parallelprozess läuft über die Anwesenheit der Pe roxi nitrite. Diese reagieren mit den Zielmolekülen nach dem gleichen Wirkprinzip in einer flüssigen Phase. Dies ist insbesondere der Fall, wenn man beim Händewaschen viel Wasser genutzt hat und die Hände eine hohe Feuchtigkeit aufweisen. Das Wasser bzw. die Feuchtigkeit auf den Händen entfaltet durch die Peroxinitrite und/oder den reaktiven Sauerstoff- und/oder Stickstoffspezies eine desinfizierende Wirkung. Die Desinfektion wirkt also gleichzeitig beim Vorgang des Trocknens der Hände nach dem Waschen. Insbesondere wirkt die Desinfektion zusätzlich zum Trocknen der Hände. Eine Gefahr von verteilten Wassertropfen und/oder Wasserspritzern hinsichtlich einer Verteilung von möglichen Krankheitserregern geht dann vorteilhafterweise nicht mehr aus.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass eine räumliche Trennung zwischen der Desinfektionskammer und dem Plasmagenerator vorliegt, wobei die Vorrichtung bevorzugt als ein Zweikammersystem ausgebildet ist, wobei eine Trennung zwischen einer für menschliche Hände zugängliche Desinfektionskammer und einer Reaktionskammer umfassend den Plasmagenerator vorgesehen ist und wobei der Luftstrom vor dem Eintritt in die Desinfektionskammer die Reaktionskammer durchströmt.
Die räumliche Trennung zwischen Desinfektionskammer und Reaktionskammer ist notwendig, da die Reaktionskammer von den Körperbereichen, insbesondere den Händen, nicht berührt werden darf. Da am Plasmagenerator vorzugsweise eine hohe Wechselspannung angelegt wird, um das Plasma entstehen zu lassen, wäre eine Berührung beispielsweise mit den Händen gefährlich. Die Durchströmung eines Menschen mit elektrischem Strom kann zu Stromunfällen, insbesondere zu lebensbedrohlichen Verletzungen oder sogar zum Tod führen. Hierzu ist auch der Ausdruck Berührungsspannung ein geläufiger Begriff im Stand der Technik.
Die räumliche Trennung zwischen der Desinfektionskammer und der Reaktionskammer ist vorzugsweise so groß, dass von der hohen angelegten Wechselspannung keine Gefahr mehr für den Nutzer ausgeht und gleichzeitig die Lebenszeit der reaktiven Spezies ausreichend ist, um an die Körperbereiche, insbesondere an die Hände, zu gelangen, um mögliche Krankheitserreger abzutöten. Vorzugsweise kann der Abstand zwischen der Reaktionskammer und der Desinfektionskammer mindestens 1 cm und vorzugsweise bis zu 100 cm, besonders bevorzugt bis zu 80 cm, betragen. Durch die räumliche Trennung zwischen Reaktions- und Desinfektionskammer werden vorteilhafterweise sicherheitskritische Faktoren gelöst.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Desinfizieren von Körperbereichen, bevorzugt von Händen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann Körperbereiche, insbesondere Hände, berührungslos trocknen und gleichzeitig desinfizieren. Auf zusätzliche Desinfektionsmittel nach dem Händewaschen und dem Trocknen kann somit verzichtet werden. Insbesondere verbessert die erfindungsgemäße Vorrichtung die Qualität der umgebenden Raumluft, da die durch den Lüfter angesaugte Luft dekontaminiert wird.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Desinfizieren von Körperbereichen mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe des Lüfters ein Luftstrom erzeugt wird, welcher durch einen sich im Luftstrom befindlichen Plasmagenerator geführt wird und wobei in einem umströmten Bereich des Plasmagenerators reaktive Sauerstoff- und Stickstoffspezies resultieren mit denen Körperbereiche, bevorzugt Hände, desinfiziert werden.
Die reaktiven Spezies, welche vorzugsweise durch den Plasmagenerator generiert werden, werden vom Luftstrom weiter in die Desinfektionskammer transportiert und sind dort präsent, um Körperbereiche, insbesondere Hände zu desinfizieren. Gleichzeitig werden die Körperbereiche, insbesondere die Hände, getrocknet. Das Wasser bzw. die Feuchtigkeit an den Händen entfaltet
eine desinfizierende Wirkung. Dabei reagieren die reaktiven Spezies, bevorzugt der Singulett- Sauerstoff, mit den Kohlenstoff-Doppelbindungen C=C der Aminosäuren. Dadurch werden diese zu Peroxiden oxidiert, sodass die potenziellen Krankheitserreger über Protein-, DNA-, und/oder Membranschäden abgetötet und/oder inaktiviert werden.
Des Weiteren führt die Anwesenheit von Peroxin itriten vorzugsweise einen weiteren Parallelprozess zur Desinfektion der Körperbereiche, bevorzugt den Händen, ein, der nach dem gleichen Wrkprinzip in einer flüssigen Phase mit den Zielmolekülen reagiert. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Körperbereiche, bevorzugt die Hände, nach dem Waschen noch nass sind. Vorteilhafterweise entfaltet das Wasser bzw. die Feuchtigkeit an den Händen eine desinfizierende Wrkung, sodass die Desinfektion während der Trocknung wirkt.
Der durchschnittliche Fachmann erkennt, dass technische Merkmale, Definitionen und Vorteile bevorzugter Ausführungsformen, welche für die erfindungsgemäße Vorrichtung offenbart wurden, gleichermaßen für die erfindungsgemäße Verwendung der Vorrichtung zum Desinfizieren von Körperbereichen, bevorzugt von Händen, sowie ein Verfahren zum Desinfizieren von Körperbereichen mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelten und umgekehrt.
Die Erfindung soll im Folgenden anhand von Beispielen näher erläutert und illustriert werden, ohne auf diese beschränkt zu sein.
FIGUREN
Kurzbeschreibung der Figuren
Fig. 1 Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung
Fig. 2 Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung
Fig. 3 Darstellung eines Plasmastabes
Fig. 4 Darstellung der Ergebnisse eines Prüfverfahren nach EN 1500 mit Escherichia coli K12 zum Nachweis der Desinfektionswirkung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Fig. 5 Darstellung der Ergebnisse eines Prüfverfahren nach EN 1500 mit Enterokokkus faecium zum Nachweis der Desinfektionswirkung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Detaillierte Beschreibung der Figuren
Fig. 1 ist eine Darstellung einer bevorzugten Vorrichtung 1 zum Desinfizieren und/oder T rocknen von Körperbereichen, bevorzugt Händen. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Lüfter 2, der Luft aus der Umgebung ansaugt und einen Luftstrom 4 erzeugt. Heizelemente, die nicht abgebildet sind,
beheizen die angesaugte Luft. Der Luftstrom 4 läuft über einen Strömungskanal. Des Weiteren wird von der Vorrichtung ein Plasmagenerator 3 umfasst. Der Plasmagenerator 3 befindet sich innerhalb einer Reaktionskammer. Die Ausgestaltung des Plasmagenerators 3 als Array ist bildhaft präsentiert. Am Plasmagenerator 3 wird eine hohe Wechselspannung angelegt. Durch das Anlegen der Wechselspannung bildet sich am Plasmagenerator 3 ein sogenanntes kaltes Plasma nach dem Prinzip der dielektrischen Barriereentladung. Dabei bilden sich reaktive Spezies. Tatsächlich sind nicht alle reaktiven Spezies langlebig, jedoch stellen insbesondere reaktive Sauerstoff (ROS)- und Stickstoffspezies (RNS) eine Ausnahme dar. Die ROS sind so stabil wie der Singulett-Sauerstoff 1Ü2 und/oder es bilden sich Radikale, die ebenfalls langlebig sind. So entsteht im Plasma das Superoxid-Radikal O2 , das mit Stickstoffmonoxid zu reaktiven RNS umfassend Peroxinitriten ONOO und ONOOH reagiert.
Das Singulett-Sauerstoff 1Ü2 und die Peroxinitrite ONOO und ONOOH sind in der Fig. 1 ebenfalls abgebildet. Die kleinen Pfeile geben die Richtung dieser reaktiven Spezies an, in die sie transportiert werden. Durch den Luftstrom 4, der durch den langgezogenen kurvigen Pfeil abgebildet wird, gelangen sie in eine Desinfektionskammer 10. Innerhalb der Desinfektionskammer können Körperbereiche, insbesondere Hände, zum Trocknen und/oder Desinfizieren eingeführt und gehalten werden. Das Ziel der reaktiven Spezies bzw. die Zielmoleküle sind Aminosäuren von möglichen Krankheitserregern wie Pilze, Sporen, Keime, Bakterien und/oder Viren.
Insbesondere der Singulett-Sauerstoff 1Ü2 reagiert mit den Kohlenstoff-Doppelbindungen der Aminosäuren, was in der Fig. 1 nicht abgebildet ist, und oxidiert diese zu Peroxiden, welche den potenziellen Krankheitserregern durch Protein-, DNA- und/oder Membranschäden abtötet und/oder inaktiviert. In der Desinfektionskammer herrscht ein Unterdrück, sodass der Luftstrom weiter zu einem Aktivkohlefilter 9 gelangt. Der Aktivkohlefilter 9 fängt Schadstoffe des Luftstromes ab. Das Druckverhältnis zwischen dem Unterdrück in der Desinfektionskammer 10 und dem Druck in der Umgebung führt dazu, dass keine Schadstoffe in die Umgebung gelangen. Mit der gereinigten Luft beginnt der Prozess von Neuem, sodass sich ein Kreislauf bildet.
Fig. 2 ist eine Darstellung einerweiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung 1 zum Desinfizieren und/oder Trocknen von Körperbereichen, bevorzugt Händen. Vorzugsweise ist diese Ausführungsform für Plasmaleistungen bis zu 2 W geeignet. Die Ozonproduktion reduziert sich, sodass auf ein Aktivkohlefilter verzichtet werden kann. Anders als in der Ausführungsform in Fig. 1 wird die Luft durch den Lüfter 2 ausschließlich von der Umgebung angesaugt und nicht in einen Kreislauf überführt, sondern erneut in die Umgebung ausgesetzt. Die angesaugte Luft wird hierbei wieder durch Heizelemente, welche nicht abgebildet sind, beheizt. Über den Strömungskanal gelangt der Luftstrom 4, der durch die langgezogenen Pfeile visualisiert wird, in Richtung des Plasmagenerators 3 befördert.
Das Wirkungsprinzip bleibt zu der Ausführungsform gemäß Fig. 1 identisch. Am Plasmagenerator 3 bilden sich reaktive Spezies, insbesondere ROS und RNS. Abgebildet sind der Singulett-Sauerstoff 1Ü2 und die Peroxinitrite ONOO- und ONOOH. Diese reaktiven Spezies
werden durch den Luftstrom 4 weiterbefördert, sodass diese Körperbereiche und/oder die Umgebungsluft trocknen und/oder desinfizieren. Der Singulett-Sauerstoff reagiert mit den Aminosäuren möglicher Krankheitserreger wie Sporen, Pilze, Keime, Bakterien und/oder Viren, die dann zu Peroxiden oxidiert werden, sodass diese Krankheitserreger über Protein-, DNA- und/oder Membranschäden abgetötet werden. Der zusätzliche unterstützende Prozess durch die Anwesenheit von Pe roxi nitriten reagiert in gleicher Wirkung und entfaltet sich insbesondere, wenn die Hände noch einen hohen Feuchtigkeitsanteil nach dem Waschen haben.
Fig. 3 zeigt einen möglichen Aufbau eines Plasmastabes 5, welcher vom Plasmagenerator 3 umfasst ist. Auf einem dielektrischen Rohr 5 ist ein Draht 8 gewickelt. Innerhalb des dielektrischen Rohres 5 befindet sich ein elektrisch leitender Kern 7. Der Draht 8 und der Kern 7 bilden ein Elektrodenpaar. Bei Anlegen einer hohen Wechselspannung kommt es auf der Außenseite des dielektrischen Rohres 5 nach dem Prinzip der dielektrischen Barriereentladung zu einem sogenannten kalten Plasma. Dabei bilden sich die erwähnten reaktiven Spezies, die vom Luftstrom 4 weiterbefördert werden, beispielsweise in die Desinfektionskammer 10, was in der Figur nicht abgebildet ist. Der Luftstrom 4 umströmt den Plasmastab 5 in Querrichtung.
Wie in Fig. 3 zu sehen ist, ist der äußere Draht 8 doppelt und gegenläufig entlang der Oberfläche des dielektrischen Rohres gewickelt. Dadurch wird die Induktivität der Wicklung kompensiert. Das Plasma bildet sich dabei nur entlang der dünnen Linie der Drahtwicklung. Der Draht 8 kann mit einem fast beliebigen Wicklungsabstand gewickelt werden, wobei der Abstand zwischen den Windungen bevorzugt bis zu einem 10-fachen Außendurchmesser, bevorzugt zwischen einem 1- fachen und dem 5-fachen, besonders bevorzugt zwischen dem 2-fachen und dem 4-fachen, des dielektrischen Rohres beträgt. Daher lässt sich die Leistung trotz hoher Frequenz und hohem Wechselspannungswert auf ein gewünschtes Maß reduzieren, ohne dabei die Länge des dielektrischen Rohres 6 zu verringern. Die Erzeugung reaktiver Spezies kann auf eine größere Strecke, nämlich der Länge des dielektrischen Rohres 6 und auf eine größere Fläche verteilt werden. Damit kann ein großes Strömungsprofil gleichmäßig mit reaktiven Spezies versorgt werden. Da der Draht sehr dünn ausgewählt ist mit einem Durchmesserzwischen 0,1 mm und 1 mm, bevorzugt zwischen 0,2 mm und 0,4 mm, bleibt die Oberfläche des dielektrischen Rohres 6 glatt. Die Oberfläche des dielektrischen Rohres 6 selbst weist eine hohe Glattheit auf. Das bewirkt eine glatt anliegende Umströmung durch den Luftstrom 4, wobei die Grenzschicht, in der die Luft an der Oberfläche des dielektrischen Rohres 6 haftet, relativ dünn ist. Die Luft strömt kaum in dieser Grenzschicht. Daher müssen die reaktiven Spezies durch diese Grenzschicht hindurch diffundieren. An den Stellen des dünnen Drahtes 8 wird die Grenzschicht gestört, was die Durchmischung der reaktiven Spezies mit dem Luftstrom 4 verbessert.
BEISPIELE
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele näher erläutert. Diese sollen den Umfang der Erfindung nicht einschränken, sondern stellen bevorzugte Ausführungsformen von Aspekten der Erfindung dar, die zur besseren Veranschaulichung der hier beschriebenen Erfindung dienen.
Die Beispiele zeigen, dass eine Vorrichtung mit einem hierin beschriebene Plasmagenerator mit mindestens einem Plasmastab umfassend ein dielektrische Rohr auf dem ein gewickelter Draht vorliegt zu besonders guten Ergebnissen hinsichtlich der Desinfektion von Körperbereichen, insbesondere Händen, führt.
Aufbau und Betriebsparameter der Vorrichtung
Bei den untenstehend beschriebenen Versuchen zur Desinfektion von Händen wurde eine vorhergehend beschriebene Vorrichtung zum Desinfizieren von Körperbereichen eingesetzt, welche einen Lüfter 2 zur Erzeugung eines Luftstroms 4 und einen Plasmagenerator 3 aufweist, wobei sich der Plasmagenerator 3 im Luftstrom 4 befindet.
Der Plasmagenerator 3 umfasste zwei Plasmastäbe 5, welche jeweils ein dielektrisches Rohr 6 aufwiesen mit einem elektrisch leitenden Kern 7 innerhalb des dielektrischen Rohres 6.
Das dielektrische (isolierende) Rohr 6 bestand aus Borsilikatglas und wies einen Außendurchmesser von 8 mm auf. Der Innendurchmesser betrugt 5 mm.
Der elektrisch leitenden Kern 7 war in Form eines Rohres ausgebildet, welches aus einem Drahtgeflecht (Kupfer) bestand und von den Ausmaßen derart ausgebildet ist, dass der elektrisch leitenden Kern 7 in das dielektrische Rohr 6 hineinpasst.
Auf dem dielektrischen (isolierenden) Rohr 6 lag auf einer Außenseite ein über zu Windungen gewickelten Draht 8 vor. Der Draht 8 wurde aus einer Kupfer-Nickel-Legierung gebildet und wies einen Durchmesser von 0,4mm auf.
Auf jedem der dielektrisch (isolierende) Rohre 6 wies der Draht 8 acht Wndungen auf, welche auf einer Länge von 80 mm verteilt wurden, wobei der Draht 8 durch eine bevorzugte gegenläufige Aufwicklung gekennzeichnet war, bei welcher der Draht mit vier Wndungen vorwärts und vier Wndungen rückwärts (mit umgekehrtem Drehsinn) um das dielektrische Rohr 6 gewickelt wurde. Der Abstand der Wicklung des Drahtes betrug in einer Wicklungsrichtung ca. 20 mm und mithin das 2,5 fache des Außendurchmessers des dielektrischen Rohres (8 mm).
In dem bevorzugten Plasmagenerator 3 wurden die zwei Plasmastäbe 5 in Reihe geschaltet. Hierbei waren die jeweiligen elektrisch leitenden Kerne 7 (bzw. Innenleiter) an zwei Ausgangsanschlüsse eines Hochspannungsgenerators angeschlossen, während auf der Außenseite der dielektrische (isolierende) Rohre 6 die aufgewickelten Drähte 8 miteinander verbunden waren.
Die dielektrische Rohre 6 bildeten mithin Elektrodenpaare mit den auf der jeweiligen Außenseite gewickelten Drähten 8, welche bei Anlegen einer Spannung ein Plasma erzeugten.
Für die angelegte Spannung wurde eine Wechselspannung eingesetzt. Als Spannungsquelle wurde eine Hochspannungsquelle verwandt, welche Hochspannungspulse mit regelbarer Amplitude und Wiederholrate erlaubt.
Bevorzugte Spannungspulse haben die Form eines abklingenden Sinus. Die Spannung bestand also im Wesentlichen aus einer positiven und einer ähnlich großen negativen Halbwelle, gefolgt von mehreren Nachschwingern. In vorliegenden Beispiel wurde eine Frequenz einer abklingenden Wechselspannung von ca. 180kHz verwandt, wobei auch andere Frequenzen, insbesondere zwischen 1 kHz (Kilohertz) und 500 kHz vorteilhaft einsetzbar sind.
Für die angelegte Spannung wurde eine Wechselspannung von Spitze-Spitze 10kV verwandt. Die Wiederholrate der Spannungspulse betrug ca. 1 ,5 kHz.
Die elektrische Leistung des Plasmagenerators bei den vorgenannten Einstellungen betrug ca. 1 ,5 W. Der Plasmaquelle befand sich innerhalb des verwendeten Händetrockners unmittelbar (ca. 10 mm) vor dem Luftauslass.
Der Lüfter 2 zur Erzeugung eines Luftstroms 4 wurde für einen Volumenstrom von etwa 40 l/s (Liter pro Sekunde) eingestellt. Die für die Versuche verwandte Vorrichtung verfügte nicht über eine Heizung. Die Luft wird mittels der Vorrichtung über mehrere schmale Schlitz ausgeblasen. Es ergibt sich daher eine hohe Strömungsgeschwindigkeit am Auslass. Das führt dazu, dass ein Teil der Feuchtigkeit der Hände weggeblasen wird. Eine weitere Trocknung der Haut erfolgt über die schnelle Luftströmung und wird dadurch unterstützt, dass die Luft beim Durchgang durch den Lüfter 2 und aufgrund der Kompression und Reibung in dem Gebläse des Lüfter 2 und den Auslassschlitzen aufgeheizt wird.
Beispiel 2 - Prüfverfahren nach EN 1500 mit Escherichia coli K12 am Beispiel von 18 Probanden
Zum Nachweis der Desinfektionswirkung des Vorrichtung umfassend einen erfindungsgemäßen Plasmagenerator wurde eine Prüfverfahren zur hygienischen Händedesinfektion nach EN 1500 mit Escherichia coli K12 am Beispiel von 18 Probanden durchgeführt.
Versuchsbedingungen:
Testkeim Escherichia coli K12
Expositionszeit 20 sec. im Luftstrom des Händetrockners mit Plasmareaktionsprodukten (gemäß der Parameter des vorherigen Beispiels 1) nach vorheriger Händewaschung
Inkubation 48h bei 44°C
Nachinkubation 8h bei 44°C
Prüfnorm: EN 1500 (DIN EN 1500 Chemische Desinfektionsmittel und Antiseptika - Hygienische Händedesinfektion - Prüfverfahren und Anforderungen (Phase 2/Stufe 2); Deutsche Fassung EN 1500:2013)
Nährmedium: Colichromer Agar (coliforme chromogener Agar, CCA) mit Hemmung der grampositiven Begleitflora und Darstellung von E.coli als dunkelblaue bis schwarze Kolonien
Ergebnisse: Die Ergebnisse der Versuche bei den einzelnen Probanden sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst:
Tabelle 1 : Ergebnisse eines Prüfverfahrens mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach EN 1500 mit Escherichia coli K12 am Beispiel von 18 Probanden
Erläuterungen zu den Einträgen:
Nr = Nummer des Versuchsdurgangs (01-18 Probanden bezgl. Hand Sanitizer HS 100; 19 Proband als Kontrolle der Versuchsdurchführung unter Anwendung eines zugelassenen Präparats)
V1 = Gesamtvolumen Ansatz zur Abschwemmung der Hände
V2 = Volumen des Ansatzes aus V1 , das auf die Platte aufgebracht wurde
KbE= koloniebildende Einheiten = Keimzahl, die auf der Platte kultiviert wurde = mindeste Zahl der kultivierungsfähigen Mikroorganismen KbE/Platte = Auf der Platte gezählte Kolonien
KbE/Ansatz = In V1 enthaltene Koloniezahl
Verdünnung = Verdünnungsfaktor der Verdünnungsreihe, unter welchem die Platte gezählt werden konnte (2 bis 100 KbE)
KbE/Prüfkörper = Unter Berücksichtigung von KbE/Platte und KbE/Ansatz und Verdünnung berechnete Keimzahl auf den untersuchten Händen
Log KbE/Hand = Dekadischer Logarithmus der Koloniezahl nach KbE/Hand
Mittelwert Log KbE/Hand = Mittelwert aus den 18 Versuchsdurchführungen
Log Reduktionsfaktor = Berechneter Reduktionsfaktor zwischen Referenzprobe (linke Hand, nicht desinfiziert) und Desinfektionsprobe (rechte Hand, es wurde HS 100 angewandt) Median Log KbE/Hand = Schwerpunkt der Werteverteilung der log. Reduktionsfaktoren der Probanden 01 bis 18
Die Ergebnisse des logarithmischen Reduktionsfaktors werden zudem in der Fig. 5 dargestellt.
Diskussion und Bewertung:
Die Deutsche Gesellschaft für Hygiene und Mikrobiologie DGHM, sowie auch andere Fachverbände und normative Gremien (z.B. Verband für angewandte Hygiene, VAH) definieren die "Desinfektion" als antiseptische Maßnahme, d.h. als Maßnahme, welche Infektiosität durch mikrobiozide Wirkung beseitigt und so zu einem aseptischen Zustand, d.h. zu einem Zustand ohne erhöhtes Infektionspotential führt. Es wird durch eine Keimzahlabsenkung eine Endkeimzahl nach Desinfektion erreicht, welche so gering ist, dass von dem desinfizierten Gegenständen, z.B. den Händen, keine Infektionsgefahr mehr ausgeht.
Eine Desinfektion wird dadurch erreicht, dass eine hohe Ausgangskeimlast, um einen bestimmten Reduktionsfaktor reduziert wird. Die Reduktion muss in einem Maße erfolgen, dass von den wenigen verbleibenden restlichen Mikroorganismen keine Infektionsgefahr mehr ausgeht.
Die hier dargestellte Analyse belegt die hohe Wrksamkeit eines Desinfektionsverfahrens unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Trocknung von Körperbereichen (hier: Händen) durch einen Luftstrom mit desinfizierenden Plasmaprodukten (reaktive Spezies).
Entsprechend EN 1500 wurde ein praxisnaher Anwendungsversuch mit 18 Probanden gegen ein bereits zugelassenes Verfahren (Vergleichsversuch: 2-Propanol 70% v/v nach Robert Koch Institut RKI) durchgeführt. Im vorliegenden Beispiel wurde Escherichia coli K12 als Testkeim eingesetzt. Die Exposition der durch E.coli kontaminierten Hände im Luftstrom des Trockners betrug 20 Sekunden.
Die Hände wurden nach Kontamination mit dem Testkeim mit einer nicht mikrobioziden Seife gewaschen und anschließend mit Luftstrom des Trockners für 20 Sekunden getrocknet.
Nach Anwendung des Verfahrens wird die Keimzahl der gegenüber des zu prüfenden Verfahrens (Plasmadesinfektion) exponierten Hand (rechte Hand) mit der Keimzahl ohne Intervention unterzogen (linke Hand, diese wurde mit E.coli kontaminiert, jedoch nicht dem Desinfektionsverfahren mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung).
Als hinreichende Reduktionsfaktoren werden Keimreduktionsleistungen > 3 log-Stufen empfohlen, d.h. Keimreduktion > 1000-fach, bzw. > 99,9% der Mikroorganismen werden eliminiert. In diesem Falle ist dann eine hinreichende Reduktion der mikrobiologischen Last erreicht, sodass die Anforderungen an eine Desinfektion im obigen Sinne erfüllt werden.
Im vorliegend durchgeführten Händedesinfektionsversuch nach EN 1500 mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird sogar eine Reduktionsleistung von 4,25, bzw. 4,24 log- Stufen festgestellt.
Das Streumaß der Reduktionsfaktoren an den einzelnen Probanden ist für mikrobiologische Untersuchungen sehr gering; der Median entspricht nahezu dem Mittelwert der Red. Faktoren.
Das bedeutet, dass die aktuellen Einstellungen des Verfahrens zu einer Keimreduktion um mehr als 3 log-Stufen (Zehnerpotenzen) führen und hiermit entsprechend EN 1500 eine mehr als hinreichende Desinfektion im Sinne einer Asepsis erreicht wird.
Der als Testkeim verwendete Mikroorganismus Escherichia coli K12 ist ein durch die EN 1500 festgelegter Testkeim. Der Testkeim ist als Indikator, bzw. als "Proxy" zu sehen.
Eine Keiminaktivierung entsprechend der Desinfektion (> 3 log Stufen) zeigt an, dass ein Großteil der relevanten pathogenen Erreger ebenfalls eliminiert wird. Die Wirksamkeit des Verfahrens gegenüber E.coli zeigt an, dass das Verfahren in der Wrkklasse A des Robert-Koch- Instituts (RKI) wirksam ist, mit Ausnahme von Mycobakterien; sowie in der Wrkklasse B*.
Die Wirkklasse B* beschreibt eine Desinfektionswirksamkeit gegenüber behüllten Viren (z.B. Hepatitis B und C, Hl-Virus, Masernvirus, SARS-CoV-2-Virus).
Die Reduktionsleistung entspricht daher bereits den Anforderungen einer Desinfektion im Sinne einer Keimzahlabsenkung um > 3 Zehnerpotenzen (d.h. > 1000-fach Keimzahlreduktion).
Die vorliegenden Ergebnisse für die Durchführung eines Desinfektionsverfahren mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigen sogar eine Reduktionsleistung von ca. 15.800 fach. Das bedeutet, dass von 15.800 Mikroorganismen nur 1 Mikroorganismus überlebt. Das entspricht einer > 99,99% fachen Keimzahlreduktion und übertrifft gleichzeitig die Anforderungen der EN 1500 erheblich.
In weiteren Vorversuchen wurde festgestellt, dass das Verfahren zwar E.coli eliminiert, aber die physiologische Standortflora der Haut (Mikrobiom) nur unwesentlich beeinträchtigt.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei einer Exposition von 20 sec. im Luftstrom mit Plasmareaktionsprodukten eine Keimreduktionsleistung von > 4,25 bzw. > 4,24 Zehnerpotenzen (Log-Stufen) erreicht werden kann. Damit werden die Anforderungen der EN 1500 deutlich übertroffen. Die Wrksamkeit des Verfahrens entspricht der Wrksamkeit eines als Referenz empfohlenen Händedesinfektionsmittels (Proband 19) bei gleichzeitiger Schonung der physiologischen Standortflora. Vorteilhaft kommt ein Desinfektionsverfahren mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung jedoch ohne Alkohole und sonstige flüssige Biozide auskommt.
Beispiel 3 - Prüfverfahren nach EN 1500 mit Enterokokkus faecium am Beispiel von 18 Probanden
Zum Nachweis der Desinfektionswirkung des Vorrichtung umfassend einen erfindungsgemäßen Plasmagenerators wurde eine Prüfverfahren zur hygienischen Händedesinfektion nach EN 1500 mit Enterokokkus faecium am Beispiel von 18 Probanden durchgeführt.
Versuchsbedingungen:
Testkeim Enterokokkus faecium
Expositionszeit 20 sec. im Luftstrom des Händetrockners mit Plasmareaktionsprodukten (gemäß der Parameter des vorherigen Beispiels 1) nach vorheriger Händewaschung
Inkubation 48h bei 44°C
Nachinkubation 8h bei 44°C
Prüfnorm: EN 1500 (DIN EN 1500 Chemische Desinfektionsmittel und Antiseptika - Hygienische Händedesinfektion - Prüfverfahren und Anforderungen (Phase 2/Stufe 2); Deutsche Fassung EN 1500:2013) , als Ergänzung der
Bestätigung der mikrobioziden Wirksamkeit gegenüber grampositiven Bakterien
Nährmedium: Slanetz & Bartley - Agar als Selektivmedium für Enterokokkus spp. (Fäkalstreptokokken) Ergebnisse:
Tabelle 2: Ergebnisse eines Prüfverfahrens mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach EN 1500 mit Enterokokkus faecium am Beispiel von 18 Probanden
Erläuterungen zu den Einträgen:
Nr = Nummer des Versuchsdurgangs (01-18 Probanden bezgl. Hand Sanitizer HS 100; 19 Proband als Kontrolle der Versuchsdurchführung unter Anwendung eines zugelassenen Präparats)
V1 = Gesamtvolumen Ansatz zur Abschwemmung der Hände
V2 = Volumen des Ansatzes aus V1 , das auf die Platte aufgebracht wurde
KbE= koloniebildende Einheiten = Keimzahl, die auf der Platte kultiviert wurde = mindeste Zahl der kultivierungsfähigen Mikroorganismen KbE/Platte = Auf der Platte gezählte Kolonien
KbE/Ansatz = In V1 enthaltene Koloniezahl
Verdünnung = Verdünnungsfaktor der Verdünnungsreihe, unter welchem die Platte gezählt werden konnte (2 bis 100 KbE)
KbE/Prüfkörper = Unter Berücksichtigung von KbE/Platte und KbE/Ansatz und Verdünnung berechnete Keimzahl auf den untersuchten Händen
Log KbE/Hand = Dekadischer Logarithmus der Koloniezahl nach KbE/Hand
Mittelwert Log KbE/Hand = Mittelwert aus den 18 Versuchsdurchführungen
Log Reduktionsfaktor = Berechneter Reduktionsfaktor zwischen Referenzprobe (linke Hand, nicht desinfiziert) und Desinfektionsprobe (rechte Hand, es wurde HS 100 angewandt)
Median Log KbE/Hand = Schwerpunkt der Werteverteilung der log. Reduktionsfaktoren der Probanden 01 bis 18
Die Ergebnisse des logarithmischen Reduktionsfaktors werden zudem in der Fig. 5 dargestellt.
Diskussion und Bewertung:
Die Deutsche Gesellschaft für Hygiene und Mikrobiologie DGHM, sowie auch andere Fachverbände und normative Gremien (z.B. Verband für angewandte Hygiene, VAH) definieren die "Desinfektion" als antiseptische Maßnahme, d.h. als Maßnahme, welche Infektiosität durch mikrobiozide Wirkung beseitigt und so zu einem aseptischen Zustand, d.h. zu einem Zustand ohne erhöhtes Infektionspotential führt. Es wird durch eine Keimzahlabsenkung eine Endkeimzahl nach Desinfektion erreicht, welche so gering ist, dass von dem desinfizierten Gegenständen, z.B. den Händen, keine Infektionsgefahr mehr ausgeht.
Eine Desinfektion wird dadurch erreicht, dass eine hohe Ausgangskeimlast, um einen bestimmten Reduktionsfaktor reduziert wird. Die Reduktion muss in einem Maße erfolgen, dass von den wenigen verbleibenden restlichen Mikroorganismen keine Infektionsgefahr mehr ausgeht.
Die hier dargestellte Analyse belegt die hohe Wirksamkeit eines Desinfektionsverfahrens unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Trocknung von Körperbereichen (hier: Händen) durch einen Luftstroms mit desinfizierenden Plasmaprodukten.
Entsprechend EN 1500 wurde ein praxisnaher Anwendungsversuch mit 18 Probanden gegen ein bereits zugelassenes Verfahren (Vergleichsversuch: 2-Propanol 70% v/v nach Robert Koch Institut RKI) durchgeführt. Im vorliegenden Beispiel wurde Enterokokkus faecium als Testkeim eingesetzt. Die Exposition der durch Enterokokkus faecium kontaminierten Hände im Luftstrom des Trockners betrug 20 Sekunden.
Die Hände wurden nach Kontamination mit dem Testkeim mit einer nicht mikrobioziden Seife gewaschen und anschließend mit Luftstrom des Trockners für 20 Sekunden getrocknet.
Nach Anwendung des Verfahrens wird die Keimzahl der gegenüber des zu prüfenden Verfahrens (Plasmadesinfektion) exponierten Hand (rechte Hand) mit der Keimzahl ohne Intervention (linke
Hand, diese wurde mit Enterokokkus faecium kontaminiert, jedoch nicht dem Desinfektionsverfahren mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung unterzogen.
Als hinreichende Reduktionsfaktoren werden Keimreduktionsleistungen > 3 log-Stufen empfohlen, d.h. Keimreduktion > 1000-fach, bzw. > 99,9% der Mikroorganismen werden eliminiert. In diesem Falle ist dann eine hinreichende Reduktion der mikrobiologischen Last erreicht, sodass die Anforderungen an eine Desinfektion im obigen Sinne erfüllt werden.
Im vorliegend durchgeführten Händedesinfektionsversuch nach EN 1500 mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird sogar eine Reduktionsleistung von 4,10, bzw. 4,02 log- Stufen festgestellt.
Das Streumaß der Reduktionsfaktoren an den einzelnen Probanden ist für mikrobiologische Untersuchungen sehr gering; der Median entspricht nahezu dem Mittelwert der Red. Faktoren
Das bedeutet, dass die aktuellen Einstellungen des Verfahrens zu einer Keimreduktion um mehr als 3 log-Stufen (Zehnerpotenzen) führen und hiermit entsprechend EN 1500 eine mehr als hinreichende Desinfektion im Sinne einer Asepsis erreicht wird.
Der im vorliegenden Beispiel als Testkeim verwendete Enterokokkus faecium ergänzt E.coli der EN 1500, um die Wirksamkeit gegen grampositiven Bakterien zu untersuchen.
Der Testkeim ist als Indikator, bzw. als "Proxy" zu sehen. Eine Keiminaktivierung entsprechend der Desinfektion (> 3 log Stufen) zeigt an, dass ein Großteil der relevanten pathogenen Erreger ebenfalls eliminiert wird. Die Wrksamkeit des Verfahrens gegenüber Enterokokkus faecium zeigt an, dass das Verfahren in der Wrkklasse A des Robert-Koch-Instituts (RKI) wirksam ist, mit Ausnahme von Mycobakterien; sowie in der Wrkklasse B*.
Die Wirkklasse B* beschreibt eine Desinfektionswirksamkeit gegenüber behüllten Viren (z.B. Hepatitis B und C, Hl-Virus, Masernvirus, SARS-CoV-2-Virus).
Die Reduktionsleistung entspricht daher bereits den Anforderungen einer Desinfektion im Sinne einer Keimzahlabsenkung um > 3 Zehnerpotenzen (d.h. > 1000-fach Keimzahlreduktion).
Die vorliegenden Ergebnisse für die Durchführung eines Desinfektionsverfahren mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigen sogar eine Reduktionsleistung von circa 12.500 fach. Das bedeutet, dass von 12.500 Mikroorganismen nur 1 Mikroorganismus überlebt. Das entspricht einer > 99,99% fachen Keimzahlreduktion und übertrifft gleichzeitig die Anforderungen der EN 1500 erheblich.
In weiteren Vorversuchen wurde festgestellt, dass das Verfahren zwar Enterokokkus faecium eliminiert, aber die physiologische Standortflora der Haut (Mikrobiom) nur unwesentlich beeinträchtigt.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei einer Exposition von 20 sec. im Luftstrom mit Plasmareaktionsprodukten eine
Keimreduktionsleistung von > 4,10 bzw. > 4,02 Zehnerpotenzen (Log-Stufen) für Enterokokkus faecium erreicht werden kann. Damit werden die Anforderungen der EN 1500 deutlich übertroffen. Die Wirksamkeit des Verfahrens entspricht der Wrksamkeit eines als Referenz empfohlenen Händedesinfektionsmittels (Proband 19) bei gleichzeitiger Schonung der physiologischen Standortflora. Vorteilhaft kommt ein Desinfektionsverfahren mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung jedoch ohne Alkohole und sonstige flüssige Biozide aus.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Vorrichtung
2 Lüfter
3 Plasmagenerator
4 Luftstrom
5 Plasmastab
6 Dielektrisches Rohr
7 Kern
8 gewickelter Draht
9 Aktivkohlefilter
10 Desinfektionskammer
Claims
1. Vorrichtung (1) zum Desinfizieren von Körperbereichen umfassend ein Lüfter (2) zur Erzeugung eines Luftstroms (4) und einen Plasmagenerator (3), wobei sich der Plasmagenerator (3) im Luftstrom (4) befindet dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmagenerator (3) mindestens ein Plasmastab (5) umfasst, weicher ein dielektrisches Rohr (6) mit einem elektrisch leitenden Kern (7) innerhalb des dielektrischen Rohres (6) umfasst, das dielektrische Rohr (6) auf einer Außenseite einen über zu Windungen gewickelten Draht (8) aufweist und wobei der elektrisch leitende Kern (7) mit dem auf der Außenseite gewickelten Draht (8) ein Elektrodenpaar bildet, welches bei Anlegen einer Spannung ein Plasma erzeugt.
2. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmagenerator (3) ein Array von mehreren Plasmastäben (5) umfasst.
3. Vorrichtung (1 ) gemäß einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Rohr (6) eine Wanddicke zwischen 0,5 mm und 3 mm, bevorzugt zwischen 1 mm und 2 mm, aufweist
4. Vorrichtung (1 ) gemäß einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Rohr (6) eine Länge von einem 4-fachen bis zu einem 30-fachen des Außendurchmessers des Rohres (6) umfasst.
5. Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Draht (8) über mindestens eine zweifache Länge des Rohres (6) gegenläufig zu Wndungen aufgewickelt vorliegt und ein über die Länge des Rohres (6) verteiltes Plasma in Abhängigkeit der angelegten Spannung erzeugt wird.
6. Vorrichtung (1 ) gemäß einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Wndungen des Drahtes (8) einen Abstand zueinander bis zu einem 10-fachen des Außendurchmessers des dielektrischen Rohres, bevorzugt zwischen dem 1 -fachen Außendurchmesser und dem 5-fachen Außendurchmesser, besonders bevorzugt zwischen dem 2-fachen Außendurchmesser und 4-fachen Außendurchmesser, aufweist.
7. Vorrichtung (1 ) gemäß einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Draht (8) einen Durchmesserzwischen 0,1 mm und 1 mm, bevorzugt zwischen 0,2 mm und 0,4 mm, aufweist.
8. Vorrichtung (1 ) gemäß einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Kern (7) einen Metalldraht, bevorzugt einen Volldraht oder ein Rohr, umfasst.
9. Vorrichtung (1 ) gemäß einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Spannungsquelle und/oder einen Transformator zur Bereitstellung einer gewünschten Spannung umfasst, wobei es sich bevorzugt um eine Wechselspannung handelt.
10. Vorrichtung (1) gemäß einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die angelegte Spannung eine Wechselspannung ist, bevorzugt mit einem Effektivwert zwischen 1 kV und 10 kV und/oder einer Frequenz zwischen 1 kHz und 500 kHz.
11. Vorrichtung (1) gemäß einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma ein Teilchengemisch auf atom-molekularer Ebene umfasst, bevorzugt eine reaktive Sauerstoff- und Stickstoffspezies.
12. Vorrichtung (1) gemäß dem vorherigen Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Sauerstoffspezies Singulett-Sauerstoff 1C>2 und Hyperoxid-Anionen umfasst und/oder die reaktive Stickstoffspezies Stickstoffmonoxid umfasst, wobei das Stickstoffmonoxid bevorzugt mit Hyperoxid-Anionen zu Peroxinitriten ONOO- und ONOOH reagiert.
13. Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom in einem Kreislauf zirkuliert, wobei die Vorrichtung bevorzugt einen Aktivkohlefilter (9) im zirkulierenden Luftstrom (4) umfasst, welcher Schadstoffe des Luftstromes (4) abfängt
14. Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass
der Lüfter (2) Luft aus einer Umgebung ansaugt und nach einem Durchströmen des Plasmagenerators (3) in die Umgebung ausgesetzt wird.
15. Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Lüfter (2) mit einem oder mehreren Heizelementen ausgestattet ist.
16. Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Desinfektionskammer (10) umfasst, in welche Bestandteile des Plasmas, bevorzugt umfassend eine reaktive Sauerstoff- und/oder Stickstoffspezies, mit dem Luftstrom (4) transportiert werden, sodass innerhalb der Desinfektionskammer (10) Körperbereiche, bevorzugt Hände von Keimen, Bakterien und/oder Viren desinfiziert werden.
17. Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine räumliche Trennung zwischen der Desinfektionskammer (10) und dem Plasmagenerator (3) vorliegt, wobei die Vorrichtung bevorzugt als ein Zweikammersystem ausgebildet ist, wobei eine Trennung zwischen einer für menschlichen Hände zugänglichen Desinfektionskammer (10) und einer Reaktionskammer umfassend den Plasmagenerator (3) vorgesehen ist und wobei der Luftstrom (4) vor dem Eintritt in die Desinfektionskammer (10) die Reaktionskammer durch strömt
18. Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche zum Desinfizieren von Körperbereichen, bevorzugt von Händen.
19. Verfahren zum Desinfizieren von Körperbereichen mittels einer Vorrichtung (1) gemäß einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1- 17 dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe eines Lüfters (2) ein Luftstrom (4) erzeugt wird, welcher durch einen sich im Luftstrom (4) befindlichen Plasmagenerator (3) geführt wird und wobei in einem umströmten Bereich des Plasmagenerators (3) reaktive Sauerstoff- und Stickstoffspezies resultieren mit denen Körperbereiche, bevorzugt Hände, desinfiziert werden.
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PCT/EP2021/064350 WO2022063446A1 (de) | 2020-09-23 | 2021-05-28 | Plasmaquelle zur handdesinfektion |
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