JP6949775B2 - Liquid plasma generator and liquid processing device - Google Patents
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Description
この発明は、液体中に供給される気体に電界を与えて当該液体中でプラズマを発生させる液中プラズマ発生装置およびこれを用いる液体処理装置に関するものである。 The present invention relates to an in-liquid plasma generator in which an electric field is applied to a gas supplied in a liquid to generate plasma in the liquid, and a liquid processing apparatus using the same.
反応生成物の生成手段や有害物質・細菌類の無害化手段として、化学的に活性な活性種を含有する液体を生成するための技術が数多く提案されている。例えば特許文献1に記載の技術では、誘電体管を流れる被処理水に気泡を発生させ、液中に配置された電極間に高電圧を印加することで、気泡内で放電させてプラズマを発生させる。また、特許文献2に記載の技術では、気体が混合された液体を流通させる誘電体管の外部に一方電極が、管内に他方電極がそれぞれ設けられている。
Many techniques for producing a liquid containing a chemically active active species have been proposed as a means for producing a reaction product and a means for detoxifying harmful substances and bacteria. For example, in the technique described in
上記従来技術では、少なくとも一方の電極が液中にあり、その電極の周囲で放電が生じるため、発生したプラズマに曝された電極の成分が液中に溶出することがある。また、電極の周囲を取り巻く気泡を含む液体の状態が刻々と変化するため、発生するプラズマの密度や量が不安定となりやすい。このため、投入される気体やエネルギーに対するプラズマ発生効率およびプラズマ発生の安定性を高める上で、上記従来技術は改良の余地を残している。 In the above-mentioned conventional technique, since at least one of the electrodes is in the liquid and an electric discharge is generated around the electrodes, the components of the electrodes exposed to the generated plasma may elute into the liquid. In addition, since the state of the liquid containing bubbles surrounding the electrode changes from moment to moment, the density and amount of generated plasma tend to become unstable. Therefore, there is room for improvement in the above-mentioned prior art in improving the plasma generation efficiency and the stability of plasma generation with respect to the input gas and energy.
この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、液体中に供給された気体にプラズマを発生させる液中プラズマ発生装置において、高効率で安定したプラズマの発生を可能とする技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides a technique capable of generating highly efficient and stable plasma in a submerged plasma generator that generates plasma in a gas supplied in a liquid. The purpose.
この発明に係る液中プラズマ発生装置の一の態様は、内部空間に液体を保持する筐体と、前記内部空間内に開口を有し該開口から前記液体中に気体を吐出する気体供給管と、前記気体供給管内から前記開口を介して前記内部空間に突出し、該突出部位は導体部が誘電体により被覆された構造を有する第1電極と、前記第1電極の前記突出部位を取り囲んで設けられ、誘電体によって前記液体から隔離された導体部を有する第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に電圧を印加する電圧印加部とを備え、前記突出部位と前記第2電極との間の空間が、前記開口から吐出された前記気体が流通する流路となっている。 One aspect of the submerged plasma generator according to the present invention is a housing that holds a liquid in an internal space, and a gas supply pipe that has an opening in the internal space and discharges gas into the liquid from the opening. The gas supply pipe protrudes into the internal space through the opening, and the protruding portion is provided so as to surround the first electrode having a structure in which the conductor portion is covered with a dielectric material and the protruding portion of the first electrode. A second electrode having a conductor portion separated from the liquid by a dielectric and a voltage applying portion for applying a voltage between the first electrode and the second electrode are provided, and the protruding portion and the first electrode are provided. The space between the two electrodes is a flow path through which the gas discharged from the opening flows.
このように構成された発明では、液体中に気体を供給する気体供給管の開口から第1電極の突出部位が突設されているので、開口から吐出される気体は突出部位の周囲を取り囲むように流通して液中に導入される。そして、第1電極の突出部位と、これを取り囲んで設けられる第2電極との間の空間が、開口から吐出される気体の流路であるとともに、電極間への電圧印加によりプラズマ発生電界が形成されるプラズマ発生場となっている。このため、液中に導入される気体は極めて高い確率でプラズマ発生場を通過することとなる。 In the invention configured in this way, since the protruding portion of the first electrode protrudes from the opening of the gas supply pipe that supplies gas into the liquid, the gas discharged from the opening surrounds the protruding portion. It is distributed to the liquid and introduced into the liquid. Then, the space between the protruding portion of the first electrode and the second electrode provided surrounding the protruding portion is a flow path of the gas discharged from the opening, and the plasma generating electric field is generated by applying a voltage between the electrodes. It is a plasma generation field that is formed. Therefore, the gas introduced into the liquid passes through the plasma generation field with an extremely high probability.
そして、第1電極および第2電極の導体部は、いずれも誘電体によって液体から隔離されている。特に第1電極の突出部位の周囲においては、開口から吐出された気体が突出部位を包み込む気泡を形成することで、第1電極の導体部と気体との間には導体部を被覆する誘電体の層が介在することになり、電圧印加により生じる放電は誘電体バリア放電となる。このため、電極を液体に接するように設けた場合よりも広い領域で安定した放電を生じさせることが可能である。また、導体部が被覆されているので、プラズマに曝されることによる導体部の材料(例えば金属)が液中に溶出することも防止される。 The conductor portions of the first electrode and the second electrode are both separated from the liquid by a dielectric material. In particular, around the protruding portion of the first electrode, the gas discharged from the opening forms a bubble that encloses the protruding portion, so that a dielectric material that covers the conductor portion between the conductor portion of the first electrode and the gas. The layer is interposed, and the discharge generated by applying the voltage becomes a dielectric barrier discharge. Therefore, it is possible to generate a stable discharge in a wider area than when the electrode is provided so as to be in contact with the liquid. Further, since the conductor portion is coated, it is possible to prevent the material (for example, metal) of the conductor portion from being eluted into the liquid due to exposure to plasma.
以上のように、本発明では、液体中に開口する気体供給管の開口から吐出される気体が第1電極の突出部位を包み込むように流れて液体中に導入され、しかも突出部位の周囲にプラズマ発生場が形成されるので、気体中に高効率かつ安定したプラズマを発生させることができる。また、こうしてプラズマ化された気体が液体中に供給されるようにすることで、プラズマ化により生成された活性種を豊富に含む液体を効率よく生成することが可能となる。 As described above, in the present invention, the gas discharged from the opening of the gas supply pipe that opens in the liquid flows so as to wrap around the protruding portion of the first electrode and is introduced into the liquid, and plasma is formed around the protruding portion. Since the generation field is formed, highly efficient and stable plasma can be generated in the gas. Further, by supplying the plasmalized gas into the liquid in this way, it becomes possible to efficiently generate a liquid containing abundant active species produced by the plasma formation.
図1は本発明に係る液中プラズマ発生装置の一実施形態を装備した液体処理装置の構成例を示す図である。この液体処理装置1は、貯留槽2に貯留されている水に活性種を溶解させた処理液を生成する装置であり、活性種を生成するためにプラズマ発生部3において水中プラズマ(本発明の「液中プラズマ」の一例に相当)を発生させている。このように本実施形態では、水が本発明の「液体」の一例に相当している。以下の各図において、鉛直方向上向きは(+Z)方向、下向きは(−Z)方向として表される。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a liquid processing apparatus equipped with an embodiment of the submerged plasma generator according to the present invention. This
液体処理装置1は、貯留槽2への液体の供給および貯留槽2からの液体の送出を含む装置内での液体の流通を担う配管系5と、配管系5により形成される液体の流路中に介挿されたプラズマ発生部3およびポンプ6とを備えている。具体的には、配管系5に含まれる配管51の一方端が、貯留槽2の側面のうち内部の液体Lの液面よりも下方位置に接続され、配管51の他方端がプラズマ発生部3の下部に設けられた後述の液体導入口に接続される。配管51にはポンプ6が介挿されており、装置全体を制御する制御部7からの動作指令に応じてポンプ6が作動することで、貯留槽2に貯留されている液体が配管51を介してプラズマ発生部3に供給される。
The
詳しくは後述するが、プラズマ発生部3は液中プラズマ処理によって液体中に活性種を含有させる装置である。具体的には、プラズマ発生部3は、ポンプ6により配管51を介して送り込まれる液体に気体導入部8からの気体を混合させ、交流電源4からの高電圧により該気体中でプラズマを発生させて、生じた活性種を液体に溶け込ませる機能を有する。このように、プラズマ発生部3は、外部から供給される液体を被処理液として受け入れ、該被処理液にプラズマ発生により生じた活性種を溶け込ませた液体を処理済み液として出力する。
As will be described in detail later, the
プラズマ発生部3の上部には配管53の一方端が接続され、配管53の他方端は貯留槽2に接続されている。したがって、プラズマ発生部3から出力される液体、つまりプラズマ発生部3で液中プラズマ処理を受けた液体を貯留槽2に戻すことが可能となっている。液体処理装置1では、破線矢印で示すように貯留槽2に貯留された液体は配管51、53を経由して循環しており、当該循環を行いながらプラズマ発生部3で液中プラズマを発生させることで液体に含まれる活性種の濃度を高めることができる。
One end of the
こうして活性種を含有する液体、つまり処理液が生成されると、当該処理液を適当なタイミングで貯留槽2から外部に送出する必要がある。このために、貯留槽2の下方側面に配管54が接続されている。この配管54には、開閉弁55が介挿されており、制御部7からの開指令に応じて開閉弁55が開くと、貯留槽2に貯留されている処理液(=液体+活性種)を外部に取り出し可能となる。また、貯留槽2の上方側面に配管56が接続されており、当該配管56によって貯留槽2は液体供給源(図示省略)と接続されている。この配管56には、開閉弁57が介挿されており、制御部7からの開指令に応じて開閉弁57が開くと、処理前の液体、つまり活性種を含有しない液体が貯留槽2に補充される。さらに、貯留槽2の天井面に配管58が接続されており、当該配管58によって貯留槽2の内部空間が液体処理装置1の周辺雰囲気と接続されている。この配管58には、開閉弁59が介挿されており、制御部7からの開指令に応じて開閉弁59が開くと、貯留槽2の内部空間を液体処理装置1の周辺雰囲気と連通させて貯留槽2の内部を大気圧に戻すことができ、開閉弁59はいわゆるリーク弁として機能する。
When the liquid containing the active species, that is, the treatment liquid is generated in this way, it is necessary to send the treatment liquid from the
プラズマ発生部3には気体導入部8の配管83が接続されている。気体導入部8は、上記配管83を介して気体を供給する気体供給源81と、配管83に介挿された開閉弁82とを有している。開閉弁82は制御部7からの開閉指令に応じて開閉することで、プラズマ発生部3に供給される気体の導入量を時間的に変化させる。すなわち、制御部7からの開指令に応じて開閉弁82が開くと、開成されている間、気体供給源81から気体が開閉弁82および配管83を介して圧送され、プラズマ発生部3へ供給される。
The
図2はプラズマ発生部の外観を示す図である。また、図3はプラズマ発生部の内部構造を示す断面図である。図2に示すように、プラズマ発生部3は、鉛直方向に延びる筒状の筐体31を主要な構成とするものであり、図3は筐体31の管軸AXを含む鉛直面における断面を示している。
FIG. 2 is a diagram showing the appearance of the plasma generating portion. Further, FIG. 3 is a cross-sectional view showing the internal structure of the plasma generating portion. As shown in FIG. 2, the
筐体31は例えば石英ガラスにより形成され内部が中空となった筒状の管であり、管壁が比較的薄く形成された薄肉部31bの両端に、より管壁の厚い厚肉部31a、31cが接続された構造を有している。例えば、薄肉の管の両端に、これと同じ内径で厚肉の管を溶接により接合することで、筐体31を製作することができる。または、厚肉の管の一部側壁面を切削し、研磨し、または引き延ばすことで薄肉化したものでもよい。
The
図示を省略しているが、厚肉部31aの上端は配管53に接続される。また、下側の厚肉部31cの側面には、貯留槽2から供給される液体を被処理液として受け入れるための液体導入管31dが接合されており、該液体導入管31dに配管51が接続される。したがって、筐体31の内部空間SPにおいては、下部から被処理液として導入される液体が上方へ流通し、上端部から処理済み液として送出される。
Although not shown, the upper end of the
筐体31の内部空間SPには、鉛直方向に延びる内管32が挿通されている。内管32は、筐体31の内径よりも小さな外径を有する例えば石英ガラス製の管であり、例えばシリコンゴム等の弾性材料で形成されたシール栓33により、筐体31の管軸AXと略同軸に支持されている。シール栓33は内部空間SPと外部空間とを離隔し液体の流出を防止するシールとしての機能も有する。筐体31の内部空間SPにおいて、内管32は液体導入管31dにより液体が導入される位置よりも上方まで延びており、その上端32aは例えば筐体31の薄肉部31bの鉛直方向における略中央部に位置している。内管32の上端32aは筐体31の内部空間SPに連通している。すなわち、内管32の上端32aは上向きの開口32bを有している。
An
一方、内管32の下端はシール栓33を介して筐体31の外部へ下向きに突出しており、その側面には気体導入管32cが接続されている。図示を省略しているが、気体導入管32bは気体導入部8の配管83に接続される。気体導入部8から供給される気体は、気体導入管32cおよび内管32の内部を経由して開口32bから、筐体31の内部空間SPを上向きに流通する液体中に導入される。したがって、導入された気体は液体中の気泡となって内部空間SP内を上方へ向かって移動する。
On the other hand, the lower end of the
内管32の内部には、鉛直方向に延びる第1電極34が挿通されている。第1電極34は、断面が略円形の棒状の導体部341の表面を誘電体、例えば石英ガラスによる表面層342で被覆した構造を有している。表面層342は、導体部341の表面を誘電体材料でコーティングするものであってもよく、また上端部が封止され内部に導体部341が挿通された誘電体材料製の管であってもよい。第1電極34は、例えばシリコンゴム等の弾性材料で形成されたシール栓35により、内管32と略同軸に支持されている。第1電極34の下端においては、導体部341が部分的に表面層342に覆われず露出しており、この部分に交流電源4が電気的に接続される。
A
第1電極34の上端34aは、内管32の上端32aよりも上方まで延びている。したがって、第1電極34の先端部は内管32の開口32bから上方に突出した状態となっている。以下、第1電極34のうちこのように内管32の上端32aよりも上方に突出した部位を「突出部位」と称し符号34bを付すこととする。
The
図4は突出部位の周辺の構造をより詳しく示す拡大図である。図3および図4に示すように、第1電極34の突出部位34bを側方(水平方向)から取り囲むように、第2電極36が設けられる。具体的には、筐体31の薄肉部31bのうち、鉛直方向において突出部位34bと対応する位置を取り巻くように、環状の金属板による第2電極36が配置されている。第2電極36の鉛直方向位置は、側面視において少なくとも一部が突出部位34bと重なるように設定される。第2電極36は、薄肉部31bの管壁を形成する誘電体である石英ガラスの層によって、内部空間SP内の液体から隔離されている。
FIG. 4 is an enlarged view showing the structure around the protruding portion in more detail. As shown in FIGS. 3 and 4, the
図5はプラズマ発生部の水平断面、具体的には図3のA−A線断面を示す図である。図5に示すように、突出部位34bの近傍では、第1電極34の導体部341、表面層342、内管32、筐体31の薄肉部31bおよび第2電極36が互いに略同軸に配置されている。
FIG. 5 is a diagram showing a horizontal cross section of the plasma generating portion, specifically, a cross section taken along the line AA of FIG. As shown in FIG. 5, in the vicinity of the protruding
第1電極34の外径は内管32の内径よりも小さい。このため平面視においては、第1電極34は内管32の開口32bの内部に含まれる。したがって、第1電極34の外側面と内管32の内側面との間の空間が気体の流路となる。この流路を流通する気体は、第1電極34の周囲を通って開口32bから筐体31の内部空間SPに流入する。また、内管32の外径は筐体31の内径よりも小さい。このため、内管32の外側面と筐体31の内側面との間の空間が液体の流路となる。
The outer diameter of the
第1電極34と第2電極36との間に交流電源4から交流高電圧が印加されることにより、第1電極34の周囲の空間に強い交流電界が形成される。第1電極34の棒状の導体部341を取り囲むように環状の第2電極36が配置されることにより、両者の間には、周方向において略均一で、かつ第1電極34の近傍で特に強い電界が形成されることになる。すなわち、このプラズマ発生部3では、第1電極34の突出部位34bの周囲に電界を集中させて、局所的な強いプラズマ発生場を形成することができる。
By applying a high AC voltage from the AC power supply 4 between the
また、図3に示されるように、第2電極36の鉛直方向長さを突出部位34bの長さよりも大きくし、第2電極36の上端部が突出部位34bの上端部よりも上方側まで、第2電極36の下端部を突出部位34bの下端部よりも下方側まで延びるような配置とする。こうすることで、突出部位34bの周辺では高さ方向においても略均一な電界を形成することができる。
Further, as shown in FIG. 3, the vertical length of the
図6はこの実施形態におけるプラズマ発生の原理を説明する図である。筐体31内部の処理空間SPは貯留槽2から供給された液体Lで満たされている。破線矢印で示すように、液体Lは、筐体31の内壁と内管32の外壁との間の空間を上向きに流通する。一方、気体導入部8から供給され内管32の内部を流通する気体Gは、点線矢印で示すように第1電極34の周囲を上向きに流通し、開口32bから気泡となって液中に導入される。このとき、気体Gの流量を適切に設定すれば、液体Lの表面張力の作用により、第1電極34の突出部位34bを包み込むような気泡B1を形成させることが可能である。
FIG. 6 is a diagram illustrating the principle of plasma generation in this embodiment. The processing space SP inside the
前記したように、突出部位34bの周囲には特に強い電界が形成されるため、気泡B1内で放電によるプラズマが発生する。第1電極34の導体部341は誘電体表面層342で被覆されているため、このときの放電は誘電体バリア放電である。また、突出部位34bの周囲では軸方向および径方向において略均一な電界が形成される。これらのことから、突出部位34bを取り囲む気泡B1内の広い領域で均一なプラズマを安定的に発生させることが可能である。
As described above, since a particularly strong electric field is formed around the protruding
内管32を介してさらに気体Gが供給されることで、気泡B1は突出部位34bから液中に遊離する。遊離した気泡B2中にはプラズマにより生成された高濃度の活性種が包含されており、これが液中に溶け込むことにより、液体Lは活性種を含むものとなる。活性種を含んだ液体Lが配管53を介して貯留槽2に還流されることで、貯留槽2内の液体における活性種の濃度が上昇する。配管系5により液体が循環されることで、液中の活性種の濃度をさらに高めることができる。
When the gas G is further supplied through the
第1電極34および第2電極36の導体部はいずれも液体Lに接していない。これにより、発生する放電のモードを誘電体バリア放電とすることができ、広い領域で安定したプラズマを発生させることが可能となる。また、導体部がプラズマに曝されることで導体材料が液体に溶出することも防止される。このように、本実施形態の液体処理装置1は、活性種を豊富に含み不純物の混入のない液体を処理液として生成することが可能である。
Neither the conductor portion of the
図7はプラズマ発生部によりプラズマを発生させたときの写真を示す図である。写真において上下方向に延びる明るい部分が筐体31であり、その中央部に現れた暗い部分が第2電極36である。筐体31内部のうち第2電極36で囲まれた部分が特に明るく光っており、この部分で高濃度のプラズマが発生していることがわかる。
FIG. 7 is a diagram showing a photograph when plasma is generated by the plasma generating unit. In the photograph, the bright portion extending in the vertical direction is the
次に、筐体31を厚肉部31a,31cと薄肉部31bとを接続した構成とした理由について説明する。まず、筐体31全体の強度および製造の容易さを考えれば、全体が厚肉の管で構成されることが望ましい。特に、外部の配管53が接続される部分である上端部と、液体導入管31dが接合される部分については十分な厚さが必要である。一方、第1電極34の突出部位34bの周囲で高い電界強度を得るという観点からは、誘電体である管壁の石英ガラスはできるだけ薄い方がよい。そこで、この実施形態の筐体31では、両端を厚肉部31a,31cとして、プラズマ発生場を生起させる中央部分を薄肉部31bとすることにより、上記要求を満たしている。
Next, the reason why the
電極間に介在する誘電体の層を薄くするという要求は、第1電極34についても同様である。すなわち、第1電極34の誘電体表面層342については、機械的強度が損なわれない程度においてできるだけ薄い方が好ましい。
The requirement for thinning the dielectric layer interposed between the electrodes is the same for the
このことは、気体Gがプラズマを発生しにくいガス種である場合に特に重要である。本願発明者は、液体Lとして水(純水)を、筐体31として外径10mm程度の石英管を使用して各種の実験を行った。その結果によれば、管壁が1mmのときには、気体Gがアルゴンであれば比較的簡単にプラズマが発生したが、気体Gとして空気を用いた場合にはプラズマが発生しなかった。空気を用いた場合、管壁を0.5mm以下にしないとプラズマは発生しなかった。第1電極34の表面層342についても同様である。そこで、筐体31の薄肉部31bにおける管壁の厚さを0.4mm、第1電極31の表面層342の厚さを0.3mmとした。このようにすると、気体Gとして空気を用いた場合でも、高濃度のプラズマを安定して発生させることができた。
This is especially important when the gas G is a gas species that is unlikely to generate plasma. The inventor of the present application conducted various experiments using water (pure water) as the liquid L and a quartz tube having an outer diameter of about 10 mm as the
殺菌や植物の成長促進等、活性種を含んだ処理液が大気中で利用される形態においては、プラズマ発生のための気体として空気(大気)を使用可能であることは大きなメリットを有している。すなわち、装置の作動環境に存在する事実上無尽蔵の大気を用いて処理液を生成することができるので、特別な気体供給源を必要としない。液体処理装置1の気体供給源81としては、例えば周辺の大気を取り込んで加圧し送出するコンプレッサーがあればよいこととなる。このことは、装置構成を簡素にして装置の小型化を図る上で有利であり、もちろん処理コストも低減することができる。
In the form in which the treatment liquid containing active species is used in the atmosphere, such as sterilization and promotion of plant growth, it is a great merit that air (atmosphere) can be used as a gas for plasma generation. There is. That is, since the treatment liquid can be generated using the virtually inexhaustible atmosphere existing in the operating environment of the apparatus, no special gas supply source is required. As the
気体Gとしてヘリウムやアルゴンなど、比較的プラズマが発生しやすいガス種を用いる場合であっても、管壁の薄肉化の効果は大きい。すなわち、管壁の薄肉化により電界強度が高くなることでプラズマ密度が上昇するので、導入される気体の利用効率が高くなり、同じ気体使用量であればより多くの活性種を発生させることができ、殺菌等の効果の高い処理液を生成することができる。また、同じプラズマ密度を得るために必要な気体使用量を抑えることができるので、処理コストの低減を図ることができる。また、必要な濃度の活性種を含む処理液を生成するのに要する時間や消費エネルギーを削減することが可能となる。 Even when a gas type such as helium or argon, which is relatively easy to generate plasma, is used as the gas G, the effect of thinning the tube wall is large. That is, since the plasma density is increased by increasing the electric field strength due to the thinning of the tube wall, the utilization efficiency of the introduced gas is increased, and more active species can be generated if the same amount of gas is used. It is possible to generate a treatment liquid having a high effect such as sterilization. Further, since the amount of gas used to obtain the same plasma density can be suppressed, the processing cost can be reduced. In addition, it is possible to reduce the time and energy consumption required to generate a treatment liquid containing an active species having a required concentration.
図8はプラズマ活性種の量を比較するための実験結果の一例を示す図である。本願発明者は、インディゴカルミンを添加した水をプラズマ発生部3に注入し、処理時間とともに液色がどのように変化するかを調べる実験を行った。インディゴカルミンは活性種と反応することで脱色するため、液色については吸光度によって評価した。曲線Aは筐体31の管壁の厚さを1mm、第1電極34の表面層342の厚さを0.7mmとした場合の結果である。一方、曲線Bは、筐体31に管壁が0.4mmの薄肉部31bを設け、第1電極34の表面層342の厚さを0.3mmとした場合の結果である。図から明らかなように、管壁を薄くすることによってより短時間で吸光度の低下が進行しており、処理液中により多くの活性種が生成されていることがわかる。
FIG. 8 is a diagram showing an example of experimental results for comparing the amounts of plasma active species. The inventor of the present application injected water containing indigocarmine into the
以上説明したように、上記実施形態においては、プラズマ発生部3が本発明の「液中プラズマ発生装置」として機能しており、筐体31、第1電極34および第2電極36が、それぞれ本発明の「筐体」、「第1電極」および「第2電極」に相当している。そして、内管32が本発明の「気体供給管」として機能し、交流電源4が本発明の「電圧印加部」として機能している。
As described above, in the above embodiment, the
また、筐体31においては、配管51が接続される液体供給管31の開口部が本発明の「導入口」に相当しており、配管53が接続される筐体31上端部の開口が本発明の「送出口」に相当している。また、上記実施形態の液体処理装置1においては、貯留槽2が本発明の「貯留部」として、またポンプ6が本発明の「液体供給部」として機能している。
Further, in the
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態の説明では、第1電極34の突出部位34bが気泡B1によって完全に包まれる場合を想定しているが、これに限定されない。例えば突出部位34bの周囲を取り囲むように多くの細かい気泡が発生するような条件であっても、高い電界が形成される突出部位34bの周囲に多くの気泡が存在することにより、各気泡内でのプラズマ発生確率を高くして効率よくプラズマを発生させることが可能である。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications other than those described above can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, in the description of the above embodiment, it is assumed that the protruding
また、上記実施形態では、筐体31の薄肉部31bの外周面を環状に覆う第2電極36が設けられているが、第2電極としては上記以外に、例えば次のような構造とすることも可能である。
Further, in the above embodiment, the
図9は第2電極の変形例を示す図である。図9(a)に示す第2電極37は、周方向において複数に分割された電極片371により構成されている。このような構造によっても、第1電極34の突出部位34bの周囲に、周方向において略均一な電界を生じさせることが可能である。
FIG. 9 is a diagram showing a modified example of the second electrode. The
また、図9(b)に示す第2電極38は、導体部381を誘電体(例えば石英ガラス)の表面層382で被覆した構造となっており、筐体31内の内部空間SPに配置されている。このような構造によっても、突出部位34bの周囲に周方向に略均一な電界を生じさせることが可能である。また、筐体外に第2電極を設ける場合に比べ、電極間距離を小さくすることができるので、電界強度を高め、あるいは印加電圧を低くすることが可能となる。この他、例えば第2電極が筐体に埋め込まれた構造であってもよい。
Further, the
また、上記実施形態における筐体31および第1電極34の表面層342は石英ガラス製であるが、これは誘電体の一例として使用したものであり、使用される液体やプラズマに対する耐性があり、また液体に不純物を溶出させることがないものであれば、これ以外の誘電体材料であっても構わない。例えば、実用上は管壁が透明であることは必須ではなく、不透明な材料も使用可能である。
Further, the
また、筐体31の厚肉部と薄肉部とが異なる材料であってもよく、また管全体を薄肉として他の機械的手段で補強した構造であってもよい。また、第1電極の突出部位の周囲でプラズマを発生させるのに十分な電界強度が得られる限り、管壁の全体が肉厚のものであってもよい。
Further, the thick portion and the thin portion of the
また、上記実施形態の第1電極34においては、筐体31内の導体部341はその全体が表面層342により被覆されている。しかしながら、第2電極36との距離が放電を生じない程度に離れており、かつ内管32内で液体に触れるおそれのない部分については、必ずしも被覆を必要としない。
Further, in the
また、上記実施形態では、筐体31、内管32および第1電極34が互いに同軸に配置されているが、これらは厳密に同軸構造である必要はない。すなわち、内管32を流通する気体が第1電極34の周囲を包むようにして液体中に導入されれば足りる。このためには、例えば平面視において第1電極34の突出部位34bが内管32の開口32bの内部に含まれていればよい。この限りにおいて、内管32と第1電極34とは必ずしも同軸でなくてもよい。すなわち、第1電極34が厳密に内管32の中心に配置されている必要はない。また、筐体31および内管32についても、両者間の空間を液体がスムーズに流通する限りにおいて、これらは必ずしも同軸でなくてもよい。また、これらの配管の断面形状が円形または互いに相似な形状である必要は必ずしもなく、適宜改変可能である。
Further, in the above embodiment, the
また、上記実施形態では、筐体31への内管32の取り付けおよび内管32への第1電極34の取り付けに際して弾性材料によるシール栓が使用されているため、プラズマ発生部3の分解が容易である。しかしながら、これに代えて、部材間が例えば接着や溶接によって恒久的に固着されていてもよい。
Further, in the above embodiment, since a seal plug made of an elastic material is used for attaching the
また、上記実施形態のプラズマ発生部3は、筐体31が液体を流通させる配管の一部としての機能も有するものである。しかしながら、本発明における「筐体」は、このような構成に限定されず、例えば内部空間に液体を貯留する容器としての機能を有するものであってもよい。
Further, the
また、上記実施形態では、プラズマ発生部3が略鉛直方向の管軸AXを有する管状を有しているが、これに限定されない。例えば、図2の構造を有するプラズマ発生部3を管軸AXが水平になるように配置した場合でも、良好にプラズマを発生させることができる。プラズマ発生部中の液体および気体が圧送されている場合、内管の開口から吐出された気体が形成する気泡は、主としてその吐出方向および周囲の液体の圧送方向に沿った方向に延びる。したがって、気泡の延びる方向と第1電極の突出部位の延設方向とが概ね同じであれば上記と同様の効果が得られる。
Further, in the above embodiment, the
上記実施形態では、内管32の延設方向を上下方向とし、その上端32aに設けられた上向きの開口32bから気体を吐出し、さらに第1電極34を開口32bから上向きに突出させる構造としている。このため、突出部位34bの延設方向が、液体Lおよび気体Gの流通方向のみならず液体L中で気体Gに作用する浮力の方向とも一致することとなり、気泡が突出部位34bの周囲を取り囲むように発生する確率をより高めることができる。これにより、液中でのプラズマ発生領域を広くして、より効率の良いプラズマ発生が可能となっている。
In the above embodiment, the extension direction of the
また、上記実施形態は、本発明に係る「液中プラズマ発生装置」であるプラズマ発生部3を循環する液体の流路上に設けた「液体処理装置」であるが、本発明の液中プラズマ発生装置は、それ自身が液中に活性種を溶け込ませて処理液を生成する機能を有するものであり、その適用範囲はこのような循環経路を有するものに限定されるものではない。例えば、プラズマ発生部3の上部から出力される処理済みの液体が直接外部に取り出されて処理液として使用に供される態様でもよい。また、使用される液体および気体についても上記に限定されず任意である。
Further, the above embodiment is a "liquid processing device" provided on a flow path of a liquid circulating in a
以上、具体的な実施形態を例示して説明してきたように、本発明に係る液中プラズマ発生装置は、開口が上向きに開口し、突出部位が開口から上向きに突出し、第2電極の導体部が突出部位を側方から取り囲む構成であってよい。このような構成によれば、開口から吐出された気体が液体中で上向きに流れるため、上向きに延びる突出部位の周囲に多くの気体を通過させてプラズマ発生の確率を高くすることができる。 As described above, as described by exemplifying a specific embodiment, the submerged plasma generator according to the present invention has an opening that opens upward, a protruding portion that protrudes upward from the opening, and a conductor portion of the second electrode. May be configured to surround the protruding portion from the side. According to such a configuration, since the gas discharged from the opening flows upward in the liquid, it is possible to increase the probability of plasma generation by allowing a large amount of gas to pass around the projecting portion extending upward.
また例えば、平面視において突出部位が開口の内部にあり、第2電極が開口の周囲を取り囲む構成であってよい。また、側面視において、突出部位と第2電極とが少なくとも一部で互いに重なる構造であってよい。このような構成によれば、開口から吐出される気体の多くが、プラズマ発生場が周囲に形成される突出部位の周囲を通過して液中に導入されることとなるため、プラズマ発生効率を高めることができる。 Further, for example, in a plan view, the protruding portion may be inside the opening, and the second electrode may surround the circumference of the opening. Further, in the side view, the protruding portion and the second electrode may be at least partially overlapped with each other. According to such a configuration, most of the gas discharged from the opening passes around the protruding portion where the plasma generation field is formed and is introduced into the liquid, so that the plasma generation efficiency can be improved. Can be enhanced.
また、第1電極は、気体供給管の管軸に沿って延設された棒状体であり、該棒状体の側面と気体供給管の内側面との間の空間が気体の流路となった構成であってよい。このような構成によれば、断面が環状の流路を通って気体がスムーズに流れ、第1電極はこの流路に取り囲まれた構造となるため、突出部位の周囲に安定的に気泡を形成することができる。 Further, the first electrode is a rod-shaped body extending along the tube axis of the gas supply pipe, and the space between the side surface of the rod-shaped body and the inner side surface of the gas supply pipe serves as a gas flow path. It may be a configuration. According to such a configuration, the gas flows smoothly through the flow path having an annular cross section, and the first electrode has a structure surrounded by this flow path, so that bubbles are stably formed around the protruding portion. can do.
また、筐体は誘電体により形成された筒状体を有し、気体供給管が筒状体の内部で筒状体と同軸に設けられて、筒状体の内側面と気体供給管との間の空間に液体が保持される構成であってよい。このような構成によれば、気体供給管から供給される気体が全て周囲の液体に触れることとなるので、気体中でのプラズマ発生により生成される活性種を効率よく液体中に溶け込ませることができる。 Further, the housing has a tubular body formed of a dielectric material, and a gas supply pipe is provided inside the tubular body coaxially with the tubular body so that the inner side surface of the tubular body and the gas supply pipe are connected to each other. The structure may be such that the liquid is held in the space between them. According to such a configuration, all the gas supplied from the gas supply pipe comes into contact with the surrounding liquid, so that the active species generated by the generation of plasma in the gas can be efficiently dissolved in the liquid. can.
また、筐体は誘電体により形成された筒状体を有し、第2電極は筒状体の外周面に設けられた構成であってよい。このような構成によれば、筐体の壁面によって第2電極を筐体内の液体から隔離することができ、第2電極が液体に接することを回避することができる。 Further, the housing may have a tubular body formed of a dielectric material, and the second electrode may be provided on the outer peripheral surface of the tubular body. According to such a configuration, the second electrode can be isolated from the liquid in the housing by the wall surface of the housing, and the second electrode can be prevented from coming into contact with the liquid.
また、第2電極の導体部は、筒状体の外周面を取り巻く環状の導体であってよい。このような構成によれば、第1電極の周囲に、平面視において周方向に略均一な電界を発生させることができ、第1電極の周囲で均一なプラズマを発生させることができる。 Further, the conductor portion of the second electrode may be an annular conductor surrounding the outer peripheral surface of the tubular body. According to such a configuration, a substantially uniform electric field can be generated around the first electrode in the circumferential direction in a plan view, and a uniform plasma can be generated around the first electrode.
また、第1電極、気体供給管、筒状体および第2電極は、鉛直軸に対し同軸に設けられた構成であってよい。このような構成によれば、第1電極と気体供給管との間の気体の流路および気体供給管と筒状体との間の液体の流路が鉛直方向において一定の断面形状を有することとなり、気体および液体をそれぞれの流路においてスムーズに流通させることが可能となる。これにより第1電極の突出部位の周囲における液体および気体の流れが安定し、この領域におけるプラズマ発生を安定化させることができる。また、第1電極と第2電極とが同軸配置されることで、第1電極の周囲に形成される電界を均一にすることができる。 Further, the first electrode, the gas supply pipe, the tubular body, and the second electrode may be provided coaxially with respect to the vertical axis. According to such a configuration, the gas flow path between the first electrode and the gas supply pipe and the liquid flow path between the gas supply pipe and the tubular body have a constant cross-sectional shape in the vertical direction. Therefore, gas and liquid can be smoothly circulated in each flow path. As a result, the flow of liquid and gas around the protruding portion of the first electrode is stabilized, and plasma generation in this region can be stabilized. Further, by coaxially arranging the first electrode and the second electrode, the electric field formed around the first electrode can be made uniform.
また、筐体に、突出部位よりも下方で内部空間に液体を導入する導入口と、突出部位よりも上方で液体を外部へ送出する送出口とが設けられた構成であってよい。このような構成によれば、筐体内で液体は上向きに流れ、プラズマ活性種を含んで液中を上昇する気泡と液体とが長い時間接することとなるので、活性種を効率よく液中に取り込むことができる。 Further, the housing may be provided with an introduction port for introducing the liquid into the internal space below the protruding portion and an outlet for discharging the liquid to the outside above the protruding portion. According to such a configuration, the liquid flows upward in the housing, and the bubbles containing the plasma active species and rising in the liquid are in contact with the liquid for a long time, so that the active species are efficiently taken into the liquid. be able to.
また、本発明に係る液体処理装置においては、例えば、液体供給部は、貯留部に貯留された液体を導入口に供給する構成であってよい。このような構成によれば、液中プラズマ発生装置を通過する液体が循環することで、液中の活性種の濃度を高めることが可能となる。 Further, in the liquid processing apparatus according to the present invention, for example, the liquid supply unit may be configured to supply the liquid stored in the storage unit to the introduction port. According to such a configuration, the concentration of the active species in the liquid can be increased by circulating the liquid passing through the plasma generator in the liquid.
この発明は、液中プラズマ発生技術ならびに当該技術を用いて活性種を含有する処理液を生成する技術全般に適用することができる。 The present invention can be applied to a technique for generating plasma in a liquid and a technique for producing a treatment liquid containing an active species by using the technique in general.
1 液体処理装置
2 貯留槽(貯留部)
3 プラズマ発生部(液中プラズマ発生装置)
4 交流電源(電圧印加部)
6 ポンプ(液体供給部)
31 筐体
32 内管(気体供給管)
32b 開口
34 第1電極
34b 突出部位
36 第2電極
341 導体部
342 表面層
G 気体
L 液体
1
3 Plasma generator (submersible plasma generator)
4 AC power supply (voltage application part)
6 Pump (liquid supply unit)
31
Claims (12)
前記内部空間内に開口を有し該開口から前記液体中に気体を吐出する気体供給管と、
前記気体供給管内から前記開口を介して前記内部空間に突出し、該突出部位は導体部が誘電体により被覆された構造を有する第1電極と、
前記第1電極の前記突出部位を取り囲んで設けられ、誘電体によって前記液体から隔離された導体部を有する第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に電圧を印加する電圧印加部と
を備え、
前記突出部位と前記第2電極との間の空間が、前記開口から吐出された前記気体が流通する流路である液中プラズマ発生装置。 A housing that holds liquid in the internal space and
A gas supply pipe having an opening in the internal space and discharging a gas into the liquid from the opening,
A first electrode having a structure in which a conductor portion is coated with a dielectric material is projected from the inside of the gas supply pipe into the internal space through the opening.
A second electrode provided so as to surround the protruding portion of the first electrode and having a conductor portion isolated from the liquid by a dielectric.
A voltage application unit for applying a voltage between the first electrode and the second electrode is provided.
A submerged plasma generator in which the space between the protruding portion and the second electrode is a flow path through which the gas discharged from the opening flows.
請求項10に記載の液中プラズマ発生装置と、
前記導入口に前記液体を供給する液体供給部と、
前記送出口から送出される前記液体を前記処理液として貯留する貯留部と
を備える液体処理装置。 A liquid treatment device that produces a treatment liquid containing an active species.
The submerged plasma generator according to claim 10 and
A liquid supply unit that supplies the liquid to the introduction port,
A liquid processing apparatus including a storage unit that stores the liquid delivered from the outlet as the processing liquid.
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