WO2006070107A1 - Dispositif de sterilisation par plasma gazeux - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a sterilization device in particular for medical instruments of the type using a gaseous plasma.
  • a gas which does not itself have bactericidal properties, is used, which is subjected to an electric field sufficiently high to cause its ionization and dissociation. of its molecules.
  • the gas produced downstream of the plasma referred to as "post-discharge gas" has sterilizing properties. This gas is admitted into a treatment chamber where it exerts its bactericidal action on the instruments to be sterilized.
  • the technique of high frequency currents has the disadvantage of using electrodes which wear out and which do not make it possible to obtain good stability of the device so that the latter must be permanently readjusted.
  • the microwave technique does not have these drawbacks, but it is nevertheless not exempt from certain constraints, particularly with regard to the lifetime and the frequency stability of the magnetron generating the microwaves.
  • a microwave source consists of a magnetron that delivers its energy in a waveguide that transmits it to a resonant cavity - O - '
  • the power absorbed in the resonant cavity is essentially variable since it depends on the mass of instruments to be sterilized. Therefore it is important that the magnetron can operate with a reflected power corresponding to its total power (which corresponds to a resonant cavity almost empty) and this a significant number of times without suffering irreversible damage.
  • the object of the present invention is to propose a microwave generator intended for the production of a gaseous plasma which overcomes these disadvantages by ensuring excellent operating stability and optimum life of its magnetron.
  • the present invention thus relates to a device for producing a gaseous plasma by ionization of a gas by means of a microwave source of determined nominal power, comprising a magnetron, receiving its electrical energy from a circuit of power supply, characterized in that the power delivered by the magnetron power supply circuit is at most equal to a quarter of the nominal power of the magnetron. Preferably, this power will be between one tenth and one quarter of the nominal power of the magnetron.
  • the power delivered by the magnetron power supply circuit will be at most equal to a quarter of the product of the nominal power of the magnetron by the reflection coefficient of the magnetron.
  • the device according to the invention may comprise means adapted to limit the power delivered to the magnetron, which are such that the temperature thereof does not exceed 80 0 C.
  • the present invention is particularly interesting in terms of production costs in that it makes it possible to use circuits existing on the market in the household sector and which, because of their manufacture in very large series, are of cost price particularly competitive.
  • a disadvantage of such circuits when it is desired to use them in certain areas such as the medical field of sterilization is that, on the one hand, they have a significant power of the order of 800 W while in the sterilization field the absorbable power by the treatment cavity is of the order of only 100W and that, on the other hand, they are of low reliability.
  • the excess power it is of course understood that it is not conceivable to use such a circuit such as the reflected power which would then be of the order of 700 W would have the immediate effect of causing a heating of the magnetron causing its destruction.
  • the power supply of the magnetron will be limited, which will have the effect of limiting the energy reflected towards it, and this limitation will occur without reducing the peak voltage necessary for the ignition.
  • a particularly advantageous way of reducing the electrical power supplied to the magnetron while maintaining said peak voltage at a sufficient value is to use a voltage doubler implementing a diode and a capacitor arranged in series across the secondary winding and use a capacitor of a value low enough to drop the voltage. It has been found that under these conditions the power supplied by the magnetron is sufficiently diminished to ensure sufficient reliability while preserving its starting peak voltage.
  • ROS Report of Standing Waves
  • ROS 1 + r / l-r r being the reflection coefficient which is equal to the ratio of the power reflected on the transmitted power.
  • the energy that can be dissipated thermally by a magnetron is proportional to its power.
  • the corresponding reflection coefficient r is 0.6, so that a magnetron with a nominal power of 800 watts will have an admissible reflected power of 480. watts, whereas this same value for a magnetron with a nominal power of 300 watts would be only 180 watts.
  • the power required for a specific operation is 100 watts and if it is desired that the device is able to dissipate without problem 100% of the power received (which corresponds substantially to the case of an empty resonant speaker) it will be sufficient for the power P d delivered to the magnetron to be at most equal to:
  • Pd P n • where P n is the minimum power of the magnetron. Note that in the case of use of a magnetron household type, the latter having a nominal power of about 800 watts will have a power of 480 watts admissible reflected, so that it will be perfectly able to to reliably ensure the production of a plasma for sterilization purposes requiring a power of 100 W. It was thus found that under these conditions the rise in temperature of the magnetron was very low which then gave an excellent frequency stability allowing the production thereof a plasma when the power delivered to the magnetron was between the tenth and the first. quarter of its nominal power.
  • FIG. 1 is a schematic view of a device according to the invention.
  • FIG. 2 is a curve showing the variation of the power delivered to the magnetron as a function of the value of the capacity of the capacitor of the supply means.
  • FIG. 3 is a curve representing the variation of the voltage as a function of time at the terminals of the magnetron in a device of the type shown in FIG.
  • Figure 4 is a schematic view of an alternative embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a supply device capable of supplying a magnetron with the energy it needs to produce a gaseous plasma.
  • This gaseous plasma is particularly intended, via its post-discharge gas, to provide a sterilization function.
  • the power supply consists essentially of a voltage-booster power supply transformer, in a ratio of approximately 10, so that for a peak-peak supply voltage of 220 V, it is provided at the secondary Ib thereof. with a peak-to-peak voltage of approximately 2200 V.
  • a capacitor C and a diode D are arranged in series between the terminals A and B of which is connected a magnetron 7. This magnetron is joined by a waveguide 8 to a resonant cavity 9.
  • the diode D and the capacitor C constitute a doubler of voltage making it possible to multiply the output voltage of the transformer 1 by 2 since during the positive half-cycle the capacitor C charges and when the alternation becomes negative the capacitor voltage is added to the voltage value of it.
  • a curve of the power variation P supplied by the magnetron power supply circuit 7 is established as a function of the value of the capacitor C. It can thus be seen in FIG. 2 that the power P decreases with the value of the capacitor.
  • the delivered power is approximately 900 W, whereas if the value of the capacitor C is brought back to 0, 1 ⁇ F this power drops to 100 W which is a value which corresponds to that used in the particular field of the production of a gaseous plasma for sterilization by its post-discharge gas.
  • This is particularly interesting since, even if the power is totally reflected, the value thereof will be below the value of the allowable return power which for a magnetron with a nominal power of 800 W is 480 W.
  • FIG. 3 shows a curve expressing the variation of the voltage at terminals A and B of the magnetron power supply. It can be seen on this one that the voltage peak at the beginning of alternation is well maintained, which makes it possible to ensure correct priming of the magnetron.
  • FIG. 4 It is also possible according to the invention, as shown in FIG. 4, to provide a double alternation power supply for the magnetron.
  • a loop has been realized comprising two diodes in series, namely a first diode D1 and a second diode D2, the output of the first being connected to the input of the second and two capacitors C1 and C2.
  • An output terminal E of the transformer 1 is connected between the two capacitors C1 and C2, and the other output terminal _F is connected via a resistor R to the input of the diode D2.
  • the magnetron is supplied between the input terminal A 'of the first diode D1 and the output terminal B' of the second diode D2.
  • Such an assembly accumulates the two voltage doublers, and the voltage delivered between the terminals A 'and B' is the sum of the voltages across the capacitors C1 and C2. Indeed during the positive half-wave the capacitor C1 is charged through the diode D1. When the alternation becomes negative the capacitor C2 is charged through the diode D2.

Abstract

La présente invention concerne un dispositif de production d'un plasma gazeux par ionisation d'un gaz au moyen d'une source de micro-ondes de puissance nominale (Pn) déterminée, comprenant un magnétron 7, recevant son énergie électrique d'un circuit d'alimentation. Ce dispositif est caractérisé en ce que la puissance (Pd) délivrée par le circuit d'alimentation au magnétron 7 est au plus égale au quart de la puissance nominale (Pn) du magnétron 7.

Description

DISPOSITIF DE STERILISATION PAR PLASMA GAZEUX
La présente invention concerne un dispositif de stérilisation notamment destiné à des instruments médicaux du type faisant appel à un plasma gazeux.
On rappellera que dans les techniques de stérilisation faisant appel à un tel plasma, on utilise un gaz, n'ayant pas de lui-même des propriétés bactéricides, que l'on soumet à un champ électrique suffisamment élevé pour provoquer son ionisation et la dissociation de ses molécules. Le gaz produit en aval du plasma, désigné "gaz de post-décharge", possède des propriétés stérilisantes. Ce gaz est admis dans une chambre de traitement où il exerce son action bactéricide sur les instruments à stériliser.
On a proposé dans l'état antérieur de la technique deux voies principales permettant de produire des champs électriques dont l'intensité soit suffisante pour provoquer l'émission du plasma, à savoir les courants haute fréquence (courants HF), et les micro-ondes.
La technique des courants haute fréquence a l'inconvénient de mettre en œuvre des électrodes qui s'usent et qui ne permettent pas d'obtenir une bonne stabilité du dispositif si bien que ce dernier doit être réajusté en permanence.
La technique des micro-ondes ne présente pas ces inconvénients mais elle n'est pas exempte néanmoins de certaines contraintes, notamment au niveau de la durée de vie et de la stabilité en fréquence du magnétron générant les micro-ondes.
On sait en effet qu'une source de micro-ondes est constituée d'un magnétron qui délivre son énergie dans un guide d'onde qui transmet celle-ci à une cavité résonante — O — '
absorbante d'énergie, dans laquelle on souhaite effectuer un certain travail. Cette cavité absorbe ainsi une certaine partie de l'énergie émise, et une partie de l'énergie restante est réfléchie vers le magnétron. Or la durée de vie de celui-ci est directement liée à cette puissance réfléchie. En effet si cette dernière est trop importante elle engendre une montée en température du magnétron qui peut aller jusqu'au claquage du filament de celui-ci. Or dans le cas où, sur le plan industriel, on souhaite produire un plasma gazeux, notamment afin d'utiliser le gaz post-décharge issu de celui-ci afin de réaliser la stérilisation d'instruments chirurgicaux, il importe que le magnétron ait une durée de vie importante compatible avec celle communément admise dans le domaine des industries médicales. Or, par définition, la puissance absorbée dans la cavité résonante est essentiellement variable puisqu'elle dépend de la masse des instruments à stériliser. En conséquence il est donc important que le magnétron puisse fonctionner avec une puissance réfléchie correspondant à sa puissance totale (ce qui correspond à une cavité résonante quasiment vide) et ceci un nombre important de fois sans subir de dégâts irréversibles.
Par ailleurs on sait également que l'excitation d'un plasma gazeux par les micro-ondes nécessite une fréquence rigoureusement stable car la cavité résonante a un coefficient de qualité très pointu, si bien que si la fréquence se décale le dispositif se désaccorde et la puissance transmise au plasma gazeux n' est plus dès lors suffisante pour assurer son entretien.
La présente invention a pour but de proposer un générateur de micro-ondes destiné à la production d'un plasma gazeux qui pallie à ces inconvénients en assurant une excellente stabilité de fonctionnement et une durée de vie optimale de son magnétron.
La présente invention a ainsi pour objet un dispositif de production d'un plasma gazeux par ionisation d'un gaz au moyen d'une source de micro-ondes de puissance nominale déterminée, comprenant un magnétron, recevant son énergie électrique d'un circuit d'alimentation, caractérisé en ce que la puissance délivrée par le circuit d'alimentation au magnétron est au plus égale au quart de la puissance nominale du magnétron. Préférentiellement cette puissance sera comprise entre le dixième et le quart de la puissance nominale du magnétron.
Préférentiellement également la puissance délivrée par le circuit d'alimentation du magnétron sera au plus égale au quart du produit de la puissance nominale du magnétron par le coefficient de réflexion de ce dernier.
Le dispositif suivant l' invention pourra comporter des moyens aptes à limiter la puissance délivrée au magnétron, qui soient tels que la température de celui-ci n'excède par 800C.
La présente invention est particulièrement intéressante sur le plan des coûts de réalisation en ce qu' elle permet de faire appel à des circuits existant sur le marché dans le domaine ménager et qui, en raison de leur fabrication en très grandes séries, sont d'un prix de revient particulièrement compétitif. Un inconvénient de tels circuits lorsque l'on souhaite les utiliser dans certains domaines tels que le domaine médical de la stérilisation est que, d'une part, ils sont dotés d'une puissance importante de l'ordre de 800 W alors que dans le domaine de la stérilisation la puissance absorbable par la cavité de traitement est de l'ordre de seulement 100W et que, d'autre part, ils sont d'une faible fiabilité. En ce qui concerne l'excès de puissance on comprend bien entendu qu'il n'est pas envisageable d'utiliser tel quel un tel circuit puisque la puissance réfléchie qui serait alors de l'ordre de 700 W aurait pour effet immédiat de provoquer un échauffement du magnétron entraînant sa destruction.
Pour utiliser de tels circuits il est donc nécessaire de limiter leur puissance. Par ailleurs on sait que les rαagnétrons doivent pouvoir disposer pour s'amorcer d'un pic de tension d'une valeur relativement élevée, de l'ordre de
3 à 4 kv.
Cette limitation de puissance doit donc s'effectuer sans porter atteinte de façon notable au pic de tension nécessaire au déclenchement du magnétron. Suivant l'invention on limitera la puissance d' alimentation du magnétron ce qui aura pour effet de limiter l'énergie réfléchie vers celui-ci, et cette limitation interviendra sans réduire la tension de pic nécessaire à l'amorçage. Une façon particulièrement intéressante de diminuer la puissance électrique fournie au magnétron tout en maintenant ladite tension de pic à une valeur suffisante est d'utiliser un doubleur de tension mettant en œuvre une diode et un condensateur disposés en série aux bornes de l'enroulement secondaire et d'utiliser un condensateur d'une valeur suffisamment faible pour faire chuter la tension. On a constaté que dans ces conditions on diminuait suffisamment la puissance fournie par le magnétron pour lui assurer une fiabilité suffisante tout en préservant sa tension de pic d'amorçage.
On sait que les magnétrons sont caractérisés par un coefficient qui caractérise leur puissance maximale admissible et qui est le Rapport d'Ondes Stationnaires (ROS) :
ROS= 1+r/l-r r étant le coefficient de réflexion qui est égal au rapport de la puissance réfléchie sur la puissance émise.
On constate ainsi que l'énergie en mesure d'être dissipée thermiquement par un magnétron est proportionnelle à sa puissance. Ainsi, sachant que le ROS moyen pour un magnétron est de l'ordre de 4 le coefficient de réflexion r correspondant est de 0,6, si bien qu'un magnétron d'une puissance nominale de 800 watts aura une puissance réfléchie admissible de 480 watts, alors que cette même valeur pour un magnétron d'une puissance nominale de 300 watts ne serait que de 180 watts. Dans ces conditions si l'on admet que la puissance nécessaire pour une opération déterminée, telle que par exemple une stérilisation, est de 100 watts et si l'on souhaite que le dispositif soit à même de dissiper sans problème 100% de la puissance reçue (ce qui correspond sensiblement au cas d'une enceinte résonante vide) il suffira que la puissance Pd délivrée au magnétron soit au plus égale à :
Pd = Pn • r Pn étant la puissance minimale du magnétron. On remarquera que dans le cas d'une utilisation d'un magnétron de type ménager, celui-ci ayant une puissance nominale d'environ 800 watts possédera une puissance réfléchie admissible de 480 watts, si bien qu'il sera parfaitement en mesure d'assurer avec fiabilité la production d'un plasma à fin de stérilisation nécessitant une puissance de 100 W. On a ainsi constaté que dans ces conditions la montée en température du magnétron était très faible ce qui procurait alors une excellente stabilité en fréquence permettant la production par celui-ci d'un plasma lorsque la puissance délivrée au magnétron était comprise entre le dixième et le quart de sa puissance nominale.
On décrira ci-après à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel : La figure 1 est une vue schématique d'un dispositif suivant l'invention.
La figure 2 est une courbe montrant la variation de la puissance délivrée au magnétron en fonction de la valeur de la capacité du condensateur des moyens d'alimentation. La figure 3 est une courbe représentant la variation de la tension en fonction du temps aux bornes du magnétron dans un dispositif de type de celui représenté sur la figure 1.
La figure 4 est une vue schématique d'une variante de mise en oeuvre de l'invention.
On a représenté sur la figure 1 un dispositif d'alimentation apte à fournir à un magnétron l'énergie qui lui est nécessaire pour produire un plasma gazeux. Ce plasma gazeux est notamment destiné, via son gaz de post- décharge, à assurer une fonction de stérilisation.
L'alimentation est essentiellement constituée d'un transformateur d'alimentation 1 élévateur de tension, dans un rapport d'environ 10, si bien que pour une tension d'alimentation crête à crête de 220 V on dispose au secondaire Ib de celui-ci d'une tension crête à crête d'environ 2200 V. Dans le circuit secondaire Ib on a disposé en série un condensateur C et une diode D, entre les bornes A et B de laquelle est branché un magnétron 7. Ce magnétron est réuni par un guide d'onde 8 à une cavité résonante 9.
La diode D et le condensateur C constituent un doubleur de tension permettant de multiplier par 2 la tension de sortie du transformateur 1 puisque pendant l'alternance positive le condensateur C se charge et lorsque l'alternance devient négative la tension du condensateur s'ajoute à la valeur de tension de celle-ci. On a établi une courbe de la variation de puissance P fournie par le circuit d'alimentation au magnétron 7 en fonction de la valeur du condensateur C. On constate ainsi sur la figure 2 que la puissance P diminue avec la valeur du condensateur. Ainsi pour un condensateur C de 0,9 μF, valeur utilisée dans une alimentation classique de four à micro-ondes ménager, la puissance délivrée est environ 900 W, alors que si l'on ramène la valeur du condensateur C à 0,lμF cette puissance chute à 100 W qui est une valeur qui correspond à celle utilisée dans le domaine particulier de la production d'un plasma gazeux en vue d'une stérilisation par son gaz de post-décharge. Ceci est particulièrement intéressant puisque, même si la puissance est totalement réfléchie, la valeur de celle-ci se trouvera en dessous de la valeur de la puissance de retour admissible qui pour un magnétron de puissance nominale de 800 W est de 480 W.
On constate ainsi que, par une simple opération de remplacement d'un composant aussi simple et aussi peu onéreux qu'un condensateur on peut adapter une alimentation bon marché du commerce et la transformer de façon qu' elle soit dès lors apte à assurer de façon fiable et efficace l'alimentation d'un magnétron destiné à un usage intensif notamment dans les domaines médical et industriel. Par ailleurs on a représenté sur la figure 3 une courbe exprimant la variation de la tension aux bornes A et B de l'alimentation du magnétron. On constate sur celle-ci que le pic de tension en début d'alternance est bien maintenu, ce qui permet d'assurer un amorçage correct du magnétron.
On peut également suivant l' invention, ainsi que représenté sur la figure 4 réaliser une alimentation double alternance du magnétron. Dans ce montage on a réalisé une boucle comprenant deux diodes en série, à savoir une première diode Dl et une seconde diode D2, la sortie de la première étant réunie à l'entrée de la seconde et deux condensateurs Cl et C2. Une borne de sortie E du transformateur 1 est réunie entre les deux condensateurs Cl et C2, et l'autre borne de sortie _F est réunie, par l'intermédiaire d'une résistance R à l'entrée de la diode D2. Le magnétron est alimenté entre la borne d'entrée A' de la première diode Dl et la borne de sortie B' de la seconde diode D2. Un tel montage cumule les deux doubleurs de tension, et la tension délivrée entre les bornes A' et B' est la somme des tensions aux bornes des condensateurs Cl et C2. En effet durant l'alternance positive le condensateur Cl se charge au travers de la diode Dl. Lorsque l'alternance devient négative le condensateur C2 se charge au travers de la diode D2.

Claims

REVENDICATIONS
1.- Dispositif de production d'un plasma gazeux par ionisation d'un gaz au moyen d'une source de micro-ondes de puissance nominale (Pn) déterminée, comprenant un magnétron
(7), recevant son énergie électrique d'un circuit d'alimentation, caractérisé en ce que la puissance (Pd) délivrée par le circuit d'alimentation au magnétron (7) est au plus égale au quart de la puissance nominale (Pn) du magnétron (7) .
2,- Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la puissance (Pd) délivrée par le circuit d'alimentation au magnétron (7) est comprise entre le dixième et le quart de la puissance nominale (Pn) du magnétron.
3.- Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la puissance (Pd) délivrée par le circuit d'alimentation au magnétron est au plus égale au quart du produit de la puissance nominale (Pn) du magnétron par le coefficient de réflexion (r) de ce dernier.
4.- Dispositif suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu' il comporte des moyens aptes à limiter la puissance (Pa) délivrée au magnétron, tels que la température de celui-ci n'excède pas 800C.
5.- Dispositif suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les moyens d'alimentation du magnétron comportent des moyens doubleurs de tension.
6.- Dispositif suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les moyens doubleurs de tension sont constitués d'une diode (D) et d'un condensateur (C) disposés en série aux bornes d'un transformateur d'alimentation (1), le magnétron (7) étant alimenté aux bornes de la diode (D) .
7.- Dispositif suivant la revendication 6 caractérisé en ce que la valeur du condensateur (C) est voisine de 0,1 μF.
8.- Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que les moyens doubleurs de tension sont constitués d'une boucle formée de deux diodes en série, à savoir une première diode (Dl) et une seconde diode (D2), la sortie de la première étant réunie à l'entrée de la seconde, et de deux condensateurs (Cl) et (C2), une borne de sortie (E) du transformateur (1) étant réunie entre les deux condensateurs (Cl,C2) et l'autre borne de sortie (F) étant réunie, par l'intermédiaire d'une résistance (R), à l'entrée de la seconde diode (D2) , le magnétron (7) étant alimenté entre la borne d' entrée (A' ) de la première diode (Dl) et la borne de sortie (B') de la seconde diode (D2) .
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