DE112005003029B4

DE112005003029B4 - In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode, In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsvorrichtung, und In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsverfahren

Info

Publication number: DE112005003029B4
Application number: DE112005003029T
Authority: DE
Inventors: Hitotoshi Murase; Toshihisa Shimo; Hiroaki Takashima; Hiromichi Toyota; Shinfuku Nomura; Tsunehiro Maehara
Original assignee: Toyota Industries Corp; Ehime University NUC
Current assignee: Toyota Industries Corp; Ehime University NUC
Priority date: 2004-12-03
Filing date: 2005-12-02
Publication date: 2012-10-04
Anticipated expiration: 2025-12-03
Also published as: KR100934139B1; DE112005003029T5; JP4909741B2; CN101112132B; US20090109141A1; WO2006059808A1; JPWO2006059808A1; US8653404B2; CN101112132A; KR20070085750A

Abstract

In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode (1; 1'; 1'') zum Erzeugen eines Plasmas in einer Flüssigkeit, die aufweist: ein leitendes Element (11; 12; 13) mit einer elektrischen Entladungsendoberfläche (111; 121; 131), die mit der Flüssigkeit in Kontakt ist; und ein isolierendes Element (16; 17; 18), das eine äußere Umgebung des leitenden Elements zumindest mit Ausnahme der elektrischen Entladungsendoberfläche bedeckt, dadurch gekennzeichnet, dass ein leitender Endabschnitt (110) des leitenden Elements (11; 12; 13) mit der elektrischen Entladungsendoberfläche einen ungefähr kreisförmigen oder ungefähr rechteckigen Querschnitt besitzt, und d und x die Bedingung –2d ≤ x ≤ 2d erfüllen, wobei d eine Länge einer kleinen Achse oder einer kurzen Seite des Querschnitts des leitenden Elements (11; 12; 13) ist, und x eine Distanz von einer Bezugsebene (161; 171; 181) zu einer Ebene ist, die die elektrische Entladungsendoberfläche (111; 121; 131) enthält, wenn die Bezugsebene eine Endoberfläche des isolierenden Elements ist, die ungefähr parallel...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung bezieht sich auf eine Plasmatechnologie zum Erzeugen eines Plasmas in einer Flüssigkeit und genauer auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Hochenergieplasmas in einer Flüssigkeit und eine Elektrode, die dabei verwendet wird.
STAND DER TECHNIK
Als eine Bedampfungstechnik unter Verwendung von Plasma, war herkömlicherweise eine Bedampfungstechnik unter Verwendung von Dampfphasenplasma weit verbreitet. In einem Dampfphasenplasma, welches eine niedrige Materialdichte besitzt, ist die Reaktionsrate jedoch niedrig. Es besteht deshalb eine Notwendigkeit für eine Technologie zum Erzeugen eines Plasmas in einer Flüssigkeit, welche eine hohe Materialdichte besitzt.
Die Druckschrift WO 2002/038827 A1 (Dokument 1) beschreibt eine Erfindung zum Produzieren eines Stroms von Blasen, die eine Quelle eines Materials enthalten, das in einem Elektrolyt abzulagern ist, in welchem ein Paar von Elektroden in geregeltem Abstand angeordnet ist, und in dem Blasenbereich eine Plasmaglimmentladung erzeugen, wodurch das Material auf einer der Elektroden abgelagert wird.
Die in Dokument 1 erwähnte Erfindung verwendet jedoch eine Gleichstromglimmentladung. Dokument 1 erwähnt teilweise eine unterstützende Glimmentladungserzeugung durch Mikrowellen- oder elektromagnetische Wellenabstrahlung, aber nimmt keine spezielle Beschreibung davon vor. Aus technischer Sicht gibt es viele unklare Punkte und die in Dokument 1 erwähnt Technik wird für nichts anderes als eine Gleichstromglimmentladung erachtet. Es wird deshalb angenommen, dass die Reaktionsrate auf der gleichen Ebene wie bei Dampfphasenplasma liegt.
Außerdem beschreibt die JP 2002-301136 A (Dokument 2) ebenso ein Bestrahlen einer Flüssigkeit mit Mikrowellen von außerhalb eines Gefäßes, und dadurch ein Zersetzen gefährlicher Substanzen in der Flüssigkeit. Dokument D2 dient dazu, Mikrowellen von außerhalb eines Gefäßes abzustrahlen, und dadurch gefährliche Substanzen, die in einer Flüssigkeit in dem Gefäß vorhanden sind, zu zersetzen, aber erklärt nicht, durch welchen Mechanismus die gefährliche Substanzen zersetzt werden. Es ist deshalb unwahrscheinlich, dass diese Art von Mikrowellenbestrahlung in der Flüssigkeit ein Plasma erzeugt, und Dokument 2 beschreibt nicht, dass ein Plasma in der Flüssigkeit erzeugt wurde. Auch wenn eine Plasmaerzeugung in der Flüssigkeit nicht unmöglich ist, besteht die Notwendigkeit, extrem große elektrische Energie zuzuführen, und ist von wenig praktischer Verwendung.
Zusätzlich wird in der JP 2003-297598 A (Dokument 3) und der JP 2004-152523 A (Dokument 4) das Innere einer Flüssigkeit, wie etwa Dodecan, mit Ultraschallwellen durch einen Ultraschallwellengenerator bestrahlt, wodurch Blasen in der Flüssigkeit erzeugt werden, und zur gleichen Zeit wird die Flüssigkeit an einer Position, an der Blasen erzeugt werden, mit elektromagnetischen Wellen durch einen elektromagnetischen Wellengenerator bestrahlt, wodurch in den Blasen ein Hochenergieplasma erzeugt wird.
Die Druckschrift JP 2004/202454 A offenbart eine Pulsentladung, die in einer Flüssigkeit durchgeführt wird. Die Vorrichtung umfasst eine Elektrode, die mit der Flüssigkeit in einem Behälter in Kontakt steht und teilweise mit einem isolierenden Element (Kabel) bedeckt ist. Die Elektrode ist weiterhin an eine Energieversorgung angeschlossen.
Die Druckschrift US 2003/0146310 A1 offenbart eine Aufbringung eines Plasmas auf ein dichtes dielektrisches Fluid. Die in der Druckschrift beschriebene Vorrichtung umfasst eine Elektrode mit einer Versiegelung und befindet sich in dem Fluid.
Die Druckschrift US 2 263 443 A offenbart eine Vorrichtung mit einer Elektrode, die ein Porzellanelement zur Isolierung aufweist, und sich in einer Flüssigkeit befindet.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Von den Verfahren des Erzeugens eines In-Flüssigkeit-Plasmas durch Bestrahlen des Inneren einer Flüssigkeit mit elektromagnetischen Wellen, wie in den vorstehend erwähnten Dokumenten 3 und 4 beschrieben ist, wird erwartet, dass sie eine hohe Reaktionsrate erhalten, weil die molekulare Dichte in einer Flüssigkeitsphase extrem höher ist als die einer Dampfphase. In einer leitenden Flüssigkeit wie Wasser oder Alkohol besteht jedoch ein Problem, dass Wirbelströme in der Flüssigkeit erzeugt werden und Energie der abgestrahlten elektromagnetischen Wellen ableiten. Es besteht ebenso ein Problem, dass die elektromagnetischen Wellen schwächer werden, weil eine Hydroxylgruppe oder Ähnliches bestimmte Frequenzen absorbieren.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der vorstehenden Probleme konzipiert und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode, eine In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsvorrichtung und ein In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsverfahren bereitzustellen, welche einfach in einer großen Vielzahl von Flüssigkeiten, inklusive einer leitenden Flüssigkeit wie Wasser oder Alkohol, ein Plasma erzeugen können.
Um die vorstehenden Probleme zu lösen, ist gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsvorrichtung gemäß Anspruch 8 bereitgestellt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsverfahren gemäß Anspruch 10 bereitgestellt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Eine In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode zum Erzeugen eines Plasmas in einer Flüssigkeit, die ein leitendes Element mit einer elektrischen Entladungsendoberfläche, die mit der Flüssigkeit in Kontakt ist; und ein isolierendes Element, das die äußere Umgebung des leitenden Elements zumindest mit Ausnahme der elektrischen Entladungsendoberfläche bedeckt, aufweist.
Außerdem besitzt ein leitender Endabschnitt des leitenden Elements mit der elektrischen Entladungsendoberfläche vorzugsweise einen ungefähr runden oder ungefähr rechteckigen Querschnitt, und d und x erfüllen –2d ≤ x ≤ 2d, und vorzugsweise –d ≤ x ≤ d, wobei d eine Länge einer kleinen Achse oder einer kurzen Seite des Querschnittes, und x eine Distanz von einer Bezugsebene zu einer Ebene ist, die die elektrische Entladungsendoberfläche enthält, wenn die Bezugsebene eine Endoberfläche des isolierendes Elements ist, die ungefähr parallel zu der elektrischen Entladungsendoberfläche ist.
Wenn hier 0 < x ist, steht die elektrische Entladungsendoberfläche von der Endoberfläche (der Bezugsebene) des isolierenden Elements nach außen hervor. Wenn x = 0 ist, liegen die elektrische Entladungsendoberfläche und die Bezugsebene in der gleichen Ebene. Wenn x < 0 ist, liegt die elektrische Entladungsendoberfläche von der Endoberfläche (der Bezugsebene) des isolierenden Elements nach innen versetzt.
Gemäß der In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode der vorliegenden Erfindung, da äußeren Umfang des leitenden Elements zumindest mit Ausnahme der elektrischen Entladungsendoberfläche ein isolierendes Element bereitgestellt ist, wird ein Vorteil erhalten, dass sie dazu in der Lage ist ein Hochenergieplasma in einer großen Vielzahl von Flüssigkeiten, wie etwa Wasser enthaltenden Flüssigkeiten, zu erzeugen. Außerdem, dass die Beziehung zwischen dem vorstehend erwähnten d und dem vorstehend erwähnten x in einem angemessenen Bereich beibehalten wird, kann das Plasma in einer Flüssigkeit ohne Zuführen von extrem großer elektrischer Energie an die Elektrode erzeugt werden. Deshalb ist eine große elektrische Energiequelle nicht notwendigerweise erforderlich. Des Weiteren besitzt die In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode eine einfache Struktur und eine nachstehend erwähnte In-FlüssigkeitPlasmaerzeugungsvorrichtung kann einfach gemacht werden.
Außerdem ist eine In-FlüssigkeitPlasmaerzeugungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt, die aufweist:
ein Gefäß zum Aufnehmen einer Flüssigkeit;
eine In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode mit einem leitenden Element mit einer elektrischen Entladungsendoberfläche, die mit der Flüssigkeit in Kontakt ist, und einem isolierenden Element, das eine äußere Umgebung des leitenden Elements zumindest mit Ausnahme der elektrischen Entladungsendoberfläche bedeckt, wobei zumindest ein Endabschnitt der In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode innerhalb des Gefäßes platziert ist; und
eine Hochfrequenzenergiequelle zum Zuführen elektrischer Energie zu zumindest dem leitenden Element.
Des Weiteren ist ein In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ein In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsverfahren zum Erzeugen eines Plasmas in einer Flüssigkeit und führt elektrische Energie durch eine elektrische Hochfrequenzquelle zu einer In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode mit einem leitenden Element mit einer elektrischen Entladungsendoberfläche, die mit der Flüssigkeit in Kontakt ist, und einem isolierenden Element, das eine äußere Umgebung des leitenden Elements zumindest mit Ausnahme der elektrischen Entladungsendoberfläche bedeckt, zu.
Infolge der vorstehend erwähnten In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode der vorliegenden Erfindung besitzen die In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsvorrichtung und das In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsverfahren der vorliegenden Erfindung einen Vorteil, dass sie dazu in der Lage sind, ein Hochenergie-In-Flüssigkeit-Plasma in einer großen Vielzahl von Flüssigkeiten, wie etwa Wasser enthaltenden Flüssigkeiten, zu erzeugen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung kann durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen besser verstanden werden. Nachstehend wird eine kurze Beschreibung der Zeichnungen vorgenommen.
1 sind Längsquerschnittsansichten von Endabschnitten von Beispielen der In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine erklärende Ansicht, die ein Beispiel der In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung darstellt.
3 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Beispiel einer Hochfrequenzschaltung darstellt, die in der In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
4 ist eine erklärende Ansicht, die eine in den Ausführungsbeispielen verwendete In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsvorrichtung darstellt.
5 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht, die ein Beispiel einer In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode eines Ausführungsbeispiels und spezifisch eine axiale Querschnittsansicht eines Endabschnitts der Elektrode darstellt.
6 sind Querschnittsansichten, die ein Beispiel einer In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode eines Ausführungsbeispiels darstellen und spezifisch zwei Querschnitte darstellen, die senkrecht zueinander sind.
7 ist ein Graph, der Absorptionsspektrometrieergebnisse eines grünen Farbstoffes zeigt.
8 ist ein Graph, der Absorptionsspektrometrieergebnisse eines roten Farbstoffs zeigt.
BESTER WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Um die vorliegende Erfindung detaillierter zu beschreiben wird ein bester Weg zum Ausführen der Erfindung basierend auf den Zeichnungen beschrieben. Die entsprechenden Figuren von 1 sind Längsquerschnittsansichten, die Beispiele der In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode darstellen. 2 ist eine erklärende Ansicht, die ein Beispiel der In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsvorrichtung darstellt. 3 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Beispiel einer Hochfrequenzschaltung darstellt, die in der In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsvorrichtung verwendet wird.
Eine In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsvorrichtung umfasst hauptsächlich eine In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode 1, eine Hochfrequenzenergiequelle 2 und ein Gefäß 3 zum Aufnehmen einer Flüssigkeit L, wobei ein Beispiel von dieser in 2 und 3 dargestellt ist. Die In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode 1 besitzt ein leitendes Element 11 und ein isolierendes Element 16, wie in ihren Beispielen in 1 gezeigt ist. Es sei angemerkt, dass 1–3 Ansichten sind, die Beispiele der In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode und der In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung darstellen, und dass die vorliegende Erfindung nicht auf die in den Figuren dargestellten Konfigurationen beschränkt ist.
Die In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode der vorliegenden Erfindung ist eine In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode zum Erzeugen eines Plasmas in einer Flüssigkeit und besitzt ein leitendes Element und ein isolierendes Element, das an seinem äußeren Umfang bereitgestellt ist. Das leitende Element besitzt eine elektrische Entladungsendoberfläche, die mit der Flüssigkeit in Kontakt ist, und ein äußerer Umfang des leitenden Elements zumindest mit Ausnahme der elektrischen Entladungsendoberfläche ist mit dem isolierenden Element bedeckt.
Das Material des leitenden Elements ist nicht besonders beschränkt, solange es aus einem leitenden Material besteht. Im Fall von metallischen Materialien, ist es zum Beispiel möglich, nicht nur Kupfer (Cu) und Cu-haltige Kupferlegierungen, Aluminium (Al) und Al-haltige Aluminiumlegierungen, und rostfreien Stahl einzusetzen, sondern auch Wolfram (W), Silber (Ag), Molybdän (Mo), Gold (Au), Platin (Pt), und Kohlenstoff (C) und verschiedene metallische Materialien, die diese Elemente enthalten. Außerdem ist die Form des leitenden Elements nicht besonders beschränkt.
Vorzugsweise besteht das isolierende Element aus Harz oder Keramik. Konkrete Beispiele des Harzes umfassen Epoxidharz, Phenolharz, ungesättigtes Polyesterharz, Harnstoffharz, Melaminharz, Polyurethanharz, Siliziumharz, Cyanatharz, Polyamidharz, Polyacetal, Polycarbonat, modifiziertes Polyphenylenether, thermoplastisches Polyesterharz, Polytertrafluoroethylen, Fluorkohlenstoffharz, Polyphenylensulfid, Polysulfon, amorphes Polyarylat, Polyetherimid, Polyethersulfon, Polyetherketon, Flüssigkristallpolyester, Polyamidimid, Polyimid, Polyallylethernitril, Polybenzimidazol, und deren Polymerlegierungen. Konkrete Beispiele von Keramiken umfassen Aluminiumoxid, Aluminiumoxid-Siliziumoxid, Zirkoniumoxid, Siliziumnitrid-Aluminiumoxid (Sialon), Mika (Fluorophlogopit), Wollastonit, hexagonales Bornitrit, Aluminiumnitrit, Cordierit, und Petalit. Außerdem ist die Form des isolierenden Elements nicht besonders beschränkt, solange es den äußeren Umfang des leitenden Elements zumindest mit Ausnahme der elektrischen Entladungsendoberfläche bedecken kann, und kann gemäß der Form des leitenden Endabschnitts angemessen ausgewählt werden. Es sei angemerkt, dass genau gesagt „Bedecken der äußeren Umgebung des leitenden Elements zumindest mit Ausnahme der elektrischen Entladungsendoberfläche” nicht nur den Zustand des Bedeckens der Oberfläche des leitenden Elements 11 mit Ausnahme der elektrischen Entladungsendoberfläche 111 umfasst, wie in der mittleren Figur und der rechten Figur von 1 gezeigt, sondern auch den Zustand des Bedeckens der Oberfläche des leitenden Elements 11 mit Ausnahme der elektrischen Entladungsendoberfläche 111 und eines Teils der Seitenflächen, die sich von der elektrischen Entladungsendoberfläche 111 erstrecken, wie in der linken Figur von 1 gezeigt ist.
Die In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode der vorliegenden Erfindung kann ein Plasma in einer Flüssigkeit erzeugen, ohne übermäßig große elektrische Energie an die Elektrode anzulegen, durch eine charakteristische Konfiguration in einem Bereich mit einem Endabschnitt (ein leitender Endabschnitt) des leitenden Elements mit der elektrischen Entladungsendoberfläche. Deshalb wird der Elektrodenendabschnitt mit dem leitenden Endabschnitt der In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode in der nachfolgenden Beschreibung detailliert beschrieben. Bei der In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode ist der Elektrodenendabschnitt ein Teil, der hauptsächlich in einer Flüssigkeit platziert ist, und die Beschaffenheit von anderen Teilen als dem Elektrodenendabschnitt ist nicht besonders beschränkt, solange sie nicht von den vorstehend erwähnten Weg zum Ausführen der Erfindung abweicht.
Der leitende Endabschnitt besitzt eine elektrische Entladungsendoberfläche, auf welcher kein isolierendes Element bereitgestellt ist. Die elektrische Entladungsendoberfläche kann, z. B. wenn das leitende Element eine Quaderform besitzt, eine Endoberfläche, die an beiden Längsenden des leitenden Elements liegt, oder die andere Endoberfläche sein. Außerdem kann die elektrische Entladungsendoberfläche nicht nur eine flache Ebene sondern auch eine kurvige Oberfläche oder eine halbkugelförmige Oberfläche sein. Die Form des leitenden Endabschnitts ist nicht besonders beschränkt, aber ist vorzugsweise eine Balkenform, wie etwa eine zylindrische Säulenform und eine Prismenform, oder eine Plattenform. Und zwar ist vorzugsweise die Querschnittsform des leitenden Endabschnitts ungefähr kreisförmig, wie etwa ein echter Kreis und eine Ellipse oder eine ungefähr rechteckige Form, wie ein Quadrat und ein Rechteck.
Außerdem besitzt der leitende Endabschnitt vorzugsweise einen abgeschrägten Abschnitt an einer Kante (Bezugszeichen 112 in 1) der elektrischen Entladungsendoberfläche. Vorzugsweise besitzt der abgeschrägte Abschnitt eine abgerundete Oberfläche und vorzugsweise ist der Radius der Abrundung R nicht weniger als 0,01 mm und nicht mehr als d/2 (d wird später definiert). Eine Bildung des abgeschrägten Abschnittes unterdrückt eine lokale elektrische Entladung und reduziert Beschädigungen der In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode. Es sei angemerkt, dass die Form von Abschnitten des leitenden Elements außer dem leitenden Endabschnitt nicht beschränkt ist und vorzugsweise eine Form ist, welche eine leichte Installation in der In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsvorrichtung, die später erwähnt wird, ermöglicht.
Die Form des isolierenden Elements, das um den Elektrodenendabschnitt gelegen ist, ist nicht besonders beschränkt, solange es an einer äußeren Umgebung des leitenden Endabschnitts gelegen ist, und kann gemäß der Form des leitenden Endabschnitts angemessen ausgewählt werden. Zum Beispiel kann das isolierende Element mit einer Dicke von 0,01 mm oder mehr von der Oberfläche des leitenden Endabschnitts geformt werden, obwohl dies von dem Material des isolierenden Elements abhängt.
Die entsprechenden Figuren von 1 sind hier Querschnittsansichten, die Beispiele der In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode der vorliegenden Erfindung darstellen, und speziell vergrößerte Ansichten der Elektrodenendabschnitte 10. Der leitende Endabschnitt 110 mit der elektrischen Entladungsendoberfläche 111 kann aus dem isolierenden Element 16 hervorstehen, oder kann in das isolierende Element 16 eingebettet sein, wobei die elektrische Entladungsendoberfläche 111 freiliegt. Im Besonderen ist es vorzuziehen, dass d und x die Bedingung –2d ≤ x ≤ 2d erfüllen, wobei d eine Länge einer kleineren Achse des Querschnitts ist, wenn der leitende Endabschnitt einen ungefähr kreisförmigen Querschnitt besitzt, oder d eine Länge einer kurzen Seite des Querschnitts ist, wenn der leitende Endabschnitt einen ungefähr rechteckigen Querschnitt besitzt, und x eine Distanz von einer Bezugsebene zu einer Ebene ist, die die elektrische Entladungsendoberfläche enthält, wenn die Bezugsebene eine Endoberfläche des isolierenden Elements ist, die ungefähr parallel mit der elektrischen Entladungsendoberfläche ist. Da d und x die Bedingung –2d ≤ x ≤ 2d erfüllen, kann ein Plasma in einer Flüssigkeit erzeugt werden ohne eine übermäßig große elektrische Energie an die Elektrode anzulegen. Außerdem, wenn –d ≤ x ≤ d, kann eine elektrische Energie, die zur Plasmaerzeugung notwendig ist, reduziert werden. Wie vorstehend erwähnt ist in dieser Beschreibung x ein positiver Wert, wenn die elektrische Entladungsendoberfläche aus der Bezugsebene hervorsteht, und ist x ein negativer Wert, wenn die elektrische Entladungsendoberfläche von der Bezugsebene nach innen versetzt liegt.
Es sei angemerkt, dass weil für den Bereich des „leitenden Endabschnitts” ein Bereich des leitenden Elements mit einer Oberfläche, die mit einer Flüssigkeit in Kontakt ist, als ein leitender Endabschnitt definiert ist, und wenn x ≤ 0 ist, ein extrem kleiner (dünner) Abschnitt mit der elektrischen Entladungsendoberfläche als ein leitender Endabschnitt angesehen werden kann. In diesem Fall ist d eine Länge einer kleinen Achse oder eine kurze Seite der elektrischen Entladungsendoberfläche und, wenn x ≤ 0 ist, ist die Form von Abschnitten, die mit dem isolierenden Element bedeckt sind, nicht beschränkt.
Außerdem, wenn der Wert von x in dem Bereich von –1 mm bis 1 mm liegt, kann ein Plasma unabhängig von der Form des leitenden Endabschnitts gut erzeugt werden.
Wenn hier die elektrische Entladungsendoberfläche oder die Endoberfläche (die Bezugsebene) des isolierenden Elements eine kurvige Oberfläche ist, kann eine Oberfläche mit der am Weitesten entfernten oberen Fläche oder Punkt von einem Mittelpunkt des leitenden Elements oder der am Weitesten entfernten oberen Fläche oder Punkt von einem Mittelpunkt des isolierende Elements als eine elektrische Entladungsendoberfläche oder eine Bezugsebene definiert werden.
Es sei angemerkt, dass in dem leitenden Endabschnitt, wenn die Form des Querschnitts des leitenden Endabschnitts genau ein Kreis ist, „d” gleich dem Durchmesser ist. Außerdem, wenn die Form des Querschnitts des leitenden Endabschnitts ein Quadrat ist, ist „d” gleich der Länge einer Seite. Andererseits, wenn die Form des Querschnitts des leitenden Endabschnitts nicht genau ein Kreis oder ein Quadrat ist, entspricht „d” der Länge einer kleinen Achse (wenn der Querschnitt eine Ellipse ist) oder der Länge einer kurzen Seite (wenn der Querschnitt ein Rechteck ist), aber die Länge einer großen Achse oder einer langen Seite (nachstehend als „w” bezeichnet) ist nicht besonders beschränkt.
Eine In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsvorrichtung kann durch Verwendung der In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode der vorliegenden Erfindung, wie vorstehend detailliert erwähnt ist, gebildet werden. Die In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsvorrichtung besitzt hauptsächlich eine In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode, eine Hochfrequenzenergiequelle zum Zuführen elektrischer Energie an die Elektrode, und ein Gefäß zum Aufnehmen einer Flüssigkeit.
Die Form und das Material des Gefäßes zum Aufnehmen einer Flüssigkeit sind nicht besonders beschränkt, solange es ein Gefäß ist, welches eine Flüssigkeit während einer Plasmaerzeugung gut halten kann. Innerhalb des Gefäßes ist zumindest ein Elektrodenendabschnitt der In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode bereitgestellt und wenn eine Flüssigkeit in das Gefäß eingefüllt wird, ist der Elektrodenendabschnitt in der Flüssigkeit gelegen. Es sei angemerkt, dass wie in 2 gezeigt, vorzugsweise eine zweite Elektrode 4 innerhalb des Gefäßes 3 bereitgestellt ist, um dem Elektrodenendabschnitt 10 der In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode 1 gegenüber zu stehen. Obwohl es nur notwendig ist, dass sich die In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode 1 und die zweite Elektrode 4 gegenüberstehen, ist die Distanz zwischen den Elektroden wünschenswerterweise von 0,5 mm bis 50 mm. In dieser Beschreibung ist die „Distanz zwischen den Elektroden” definiert als die Distanz von der vorstehend erwähnten Bezugsebene zu einer gegenüber stehenden Oberfläche der zweiten Elektrode (in 2 durch Bezugszeichen D bezeichnet). Außerdem muss die Elektrode 1 nicht derart am Boden des Gefäßes 3 gelegen sein, dass der Elektrodenendabschnitt 10 nach oben gerichtet ist, wie in
2 gezeigt, sondern kann derart gelegen sein, dass der Elektrodenendabschnitt 10 nach unten oder in eine horizontale Richtung gerichtet ist, solange der Elektrodenendabschnitt 10 in Kontakt mit der Flüssigkeit L ist. Außerdem, obwohl in 2 eine In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode 1 bereitgestellt ist, kann eine Vielzahl von In-Flüssigkeit-Plasmaelektroden bereitgestellt sein.
Des Weiteren kann der Druck eines Raums, der das Reaktionsgefäß umfasst, durch Verwendung einer Gasentladungseinrichtung reduziert werden. Infolge der Druckreduktion kann eine Plasmaerzeugung einfach ausgeführt werden. Wünschenswerterweise ist der Druck zu dieser Zeit zwischen 1 und 600 hPa. Es sei angemerkt, da die Druckreduktion besonders effektiv zu Beginn der Blasen- und Plasmaerzeugung ist, dass der Druck zu einem normalen Druck zurückgeführt werden kann, sobald eine Blasen- und Plasmaerzeugung stabil wird.
Die Hochfrequenzenergiequelle führt der In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode, das heißt, dem leitenden Element, elektrische Energie zu. Vorzugsweise wird die Hochfrequenzenergiequelle zum Beispiel durch eine in 3 gezeigte Hochfrequenzschaltung gesteuert. Wie in 3 gezeigt wird die elektrische Energie von der Hochfrequenzenergiequelle 2 an eine Resonanzschaltung 30 durch eine Anpassungsbox 21 zugeführt. Die Resonanzschaltung 30 umfasst Spulen 31, 32 und einen Kondensator 33, und jeder eines Kontaktes C und eines Kontaktes D der Resonanzschaltung 30 ist mit jeder der zweiten Elektrode 4 und der In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode 1 verbunden. Die Resonanzschaltung 30 ist derart entworfen, um bei der Frequenz von eingegebenen Hochfrequenzwellen zu schwingen. Es sei angemerkt, dass in 3 die Seite des Kontaktes C geerdet ist und mit der zweiten Elektrode 4 verbunden ist, während der Kontakt D mit der In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode 1 verbunden ist. Die verwendete Frequenz kann gemäß der Art der Flüssigkeit und der Anwendungen des Plasmas angemessen ausgewählt werden und die verwendete Frequenz ist vorzugsweise im Bereich von 3 MHz bis 3 GHz. Bei Verwendung einer Flüssigkeit, die viel Wasser enthält, wenn zum Beispiel 13,56 MHz oder 27,12 MHz verwendet werden, welche für industrielle Zwecke erlaubt sind, ist die Frequenz weniger anfällig für eine Absorption durch Wassermoleküle.
Die Resonanzschaltung muss nicht von dieser Art sein. Sie kann eine Serienresonanz sein, und wenn die Frequenz hoch ist, können auch ein Leitungsresonator („line resonator” oder ein Hohlraumresonator verwendet werden.
Wenn eine Flüssigkeit in das Gefäß eingefüllt wird und die elektrische Hochfrequenzenergiequelle betrieben wird, um elektrische Energie zu der In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode zuzuführen, kocht infolge der Hitzeerzeugung der In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode die Flüssigkeit und innerhalb der Flüssigkeit werden Blasen erzeugt. Zur gleichen Zeit wird innerhalb der Blasen durch Bestrahlen mit Hochfrequenzwellen an einer Position, an der die Blasen erzeugt werden, ein Plasma erzeugt. Das Innere der Blasen, in denen die Flüssigkeit in einem gasförmigen Zustand bei hohen Temperaturen und hohem Druck existiert, ist in einem Zustand, in dem leicht ein Plasma erzeugt werden kann. Deshalb kann durch Bestrahlen mit elektromagnetischen Wellen oder Ähnlichem innerhalb der Blasen leicht ein Plasma erzeugt werden.
Beispiele der Einrichtung zum Erzeugen von Blasen in der Flüssigkeit umfassen nicht nur das vorstehend erwähnte Verfahren des Erhitzens der Flüssigkeit bis zum Kochen durch eine Hitzeerzeugung der In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode, sondern auch ein Verfahren des Kochens der Flüssigkeit durch ein Heizelement, ein Verfahren des Bestrahlens der Flüssigkeit mit Ultraschallwellen, und Ähnliches. Deshalb kann als die Einrichtung zum Erzeugen von Blasen zum Beispiel ein Heizelement oder ein Ultraschallgenerator in dem Gefäß zum Halten der Flüssigkeit bereitgestellt werden. Zusätzlich kann die In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsvorrichtung mit einer Funktion des Erzeugens von Blasen versehen sein, wodurch Blasen, wie etwa Mikroblasen und Nanoblasen zwischen der Elektrode und einem Substrat erzeugt werden, und ein Fluss von Blasen gemacht wird, welche durch In-Flüssigkeits-Plasma aktiviert werden. Oder die In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsvorrichtung kann mit einer Funktion des Zirkulierens der Flüssigkeit versehen sein, wodurch die Flüssigkeit zwischen der Elektrode und dem Substrat zirkuliert, während Blasen erzeugt werden.
Außerdem kann ein Gas zwischen der Elektrode und dem Substrat als ein Unterstützungsgas zum Erzeugen von Blasen zugeführt werden. Wenn die Flüssigkeit Alkohol ist, ist das zuzuführende Gas vorzugsweise ein Kohlenwasserstoffgas wie etwa Methan oder Acetylen, ein inertes Gas wie etwa Helium und Argon oder ein Reduktionsgas wie etwa Wasserstoff.
Ein zu erzeugendes Plasma besitzt eine hohe Temperatur und eine hohe Energie und ist effektiv für die Zersetzung oder Synthese von Materialien. Da das Plasma in der Flüssigkeit existiert, besitzt das Plasma makroskopisch gesehen jedoch eine geringe Temperatur und ist sicher und einfach handzuhaben. Da das Plasma in der Flüssigkeit existiert, welche eine hohe Materialdichte besitzt, ist die Reaktionsrate extrem hoch.
Die In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode, die In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsvorrichtung und das In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsverfahren der vorliegenden Erfindung sind nicht auf die vorstehend erwähnten Wege zur Ausführung der Erfindung beschränkt. Und zwar kann die vorliegende Erfindung in einer Vielzahl von Formen ausgeführt werden, die durch den Fachmann modifiziert und verbessert werden, ohne sich vom Wesentlichen der Erfindung zu entfernen.
Eine In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsvorrichtung wurde gemäß den vorstehend erwähnten Wegen zum Ausführen der Erfindung produziert. Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode, der In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsvorrichtung und des In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsverfahrens zusammen mit Vergleichsbeispielen unter Verwendung von 3 bis 8 beschrieben.
Es sei angemerkt, dass in den folgenden Ausführungsbeispielen eine in 3 und 4 gezeigte Vorrichtung als die In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsvorrichtung verwendet wurde. Nachstehend wird die in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen verwendete In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsvorrichtung spezifisch beschrieben. Außerdem sind ein Beispiel einer In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode 1', die in den Ausführungsbeispielen 1 bis 5, 15 bis 17 verwendet wird, und ein Beispiel einer In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode 1'', die in Ausführungsbeispiel 6 bis 14 verwendet wird, entsprechend in 5 und 6 gezeigt.
[Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsvorrichtung]
Ein Gefäß 3 besteht aus einem Gefäßkörper, der aus Quarkglas geformt ist, und eine hohle zylindrische Form besitzt, Schließelementen zum Schließen eines unteren offenen Endes und eines oberen offenen Endes des Gefäßkörpers, die beide aus rostfreiem Stahl geformt sind und eine ungefähr kreisförmige Scheibenform besitzen. An einem Mittelteil des Schließelements zum Schließen des oberen offenen Endes ist eine In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode 1 befestigt. Die In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode 1 ist auf eine solche Weise platziert, dass ein Elektrodenendabschnitt 10 in das Innere des Gefäßes 3 hervorsteht.
Das Innere des Gefäßes 3 ist mit einer Flüssigkeit L gefüllt und der Elektrodenendabschnitt 10 ist innerhalb der Flüssigkeit L gelegen. Eine zweite Elektrode 4 wird über der In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode 1 gehalten, so dass sie der In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode 1 mit einer vorbestimmten Distanz D zwischen den Elektroden gegenübersteht. Die zweite Elektrode 4 ist reines plattenförmiges Aluminium (A1050 (JIS)) und die Gesamtheit der zweiten Elektrode 4 ist in die Flüssigkeit L getaucht.
Die In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode 1 und die zweite Elektrode 4 sind mit Spulen, einem Kondensator und Ähnlichem verbunden, wodurch sie in einer Resonanzschaltung 30 (3) mit eingebunden sind, zu welcher Hochfrequenzwellen zugeführt werden. Die zweite Elektrode 4 wird durch eine leitende Halterung gehalten, die durch einen Isolator 33 an dem Schließelement zum Schließen des oberen offenen Endes des Gehäuses 3 befestigt ist. Die zweite Elektrode 4 ist mittels dieser Halterung mit der Resonanzschaltung 30 verbunden. Zu dieser Zeit war in der Resonanzschaltung 30 die Kapazität des Kondensators 33 gleich 120 pF, eine Spule 31 hatte 0,2 μH, eine Spule 32 hatte 0,7 μH, und die Summe der Widerstände der Spule 31 und der Spule 32 war 0,5 Ω.
Das Gefäß 3 ist innerhalb einem äußeren Gefäß 91 gelegen, welches leicht größer ist als das Gefäß 3. Das äußere Gefäß 41 besitzt einen ähnlichen Aufbau wie das Gefäß 3, mit der Ausnahme, dass es eine Vakuumpumpe 80 besitzt, die mittels eines Abgasdurchlasses 95 mit dem äußeren Gefäß 91 verbunden ist.
[In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode]
[Erstes Ausführungsbeispiel]
Eine In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode 1' umfasst ein leitendes Element 12, das aus Metall geformt ist, und ein isolierendes Element 17. 5 ist eine axiale Querschnittsansicht eines Elektrodenendabschnitts 10' eines Beispiels der In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode 1' eines ersten bis fünften Ausführungsbeispiels. Als das leitende Element 12 wurde eine zylindrische Säule (Durchmesser: 3 mm (d = 3)) eingesetzt, die aus reinem Aluminium (A1050 (JIS)) geformt ist und an einem Ende eine flache Endoberfläche 121 besitzt. In diesem Ausführungsbeispiel wurde diese Endoberfläche 121 als die elektrische Entladungsendoberfläche verwendet. An einer Kante der Endoberfläche 121 war ein abgeschrägter Abschnitt 122 mit R = 0,2 mm geformt. Zusätzlich wurde als das isolierende Element 17 eine zylindrische keramische isolierende Röhre (innerer Durchmesser: 3 mm, äußerer Durchmesser: 5 mm, Länge: 25 mm) eingesetzt. Das leitende Element 12 wurde in das röhrenförmige isolierende Element 17 eingesetzt. Am Elektrodenendabschnitt 10' der In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode 1' wurde die Einsetzposition des leitenden Elements 12 angepasst, um eine Distanz x von einer Bezugsebene 171 zu der Endoberfläche 121 (der elektrischen Entladungsendoberfläche) zu bestimmen, wenn die Bezugsebene 171 eine Endoberfläche des isolierendes Elements parallel zu der Endoberfläche 121 war. In diesem Ausführungsbeispiel wurden die In-Flüssigkeit-Plasmaelektroden 1' zu der vorstehend erwähnten In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsvorrichtung auf eine solche Weise montiert, dass die Distanz von der Bezugsebene 171 zu der Endoberfläche 121 (der elektrischen Entladungsendoberfläche) gleich 5 mm (x = 5), 1 mm (x = 1), oder 0 mm (x = 0) war. Es sei angemerkt, dass in diesem Ausführungsbeispiel die Elektrode mit x = 5 als #1-1, die Elektrode mit x = 1 als #1-2 und die Elektrode mit x = 0 als #1-3 bezeichnet wurde.
Leitungswasser wurde als die Flüssigkeit L vorbereitet und in das Gefäß 3 der In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsvorrichtung eingefüllt. Die Distanz D zwischen den Elektroden (die Distanz von der Bezugsebene 171 zu der Oberfläche der zweiten Elektrode 4) wurde auf 2 mm gesetzt.
Zuerst wurde der Druck im Inneren des äußeren Gefäßes 91 auf einen Gefäßinnendruck von 200 hPa herabgesetzt. Als nächstes wurde die Frequenz von ausgegebener elektrischer Energie von der Hochfrequenzenergiequelle 2 auf 27,12 MHz gesetzt und elektrische Energie, die an die In-Flüssigkeit-Plasmaelektroden 1' zugeführt wird, wurde von 0 bis 600 W gesteuert, wodurch in der Flüssigkeit L dichte Blasen erzeugt werden, innerhalb welcher ein Plasma erzeugt wurde. Die Blasen stiegen in der Flüssigkeit L von der elektrischen Entladungsendoberfläche 121 auf. Bezüglich der entsprechenden Elektroden, sind Werte der elektrischen Hochfrequenzenergie, wenn eine Plasmaentladung auftrat, in Tabelle 1 gezeigt.
Wenn, 1-1 bis #1-3, bei welchen –2d ≤ x 2d gilt, verwendet wurden, konnte ein Plasma im Wasser bei einer elektrischen Energie von nicht mehr als 500 W erzeugt werden. Es sei angemerkt, dass wenn x = 0 ist, die Größe des Plasmas ungefähr 2,5 mm breit und 2,5 mm hoch war. Außerdem wurde in dem ersten Ausführungsbeispiel das Experiment durchgeführt, wobei die Distanz D zwischen den Elektroden konstant gehalten wurde (2 mm), aber auch wenn die Distanz von der Endoberfläche 121 (der elektrischen Entladungsendoberfläche) zu der zweiten Elektrode 4 konstant gehalten wurde, waren die Ergebnisse im Wesentlichen die Gleichen.
Des Weiteren, wenn die Elektrode (#1-3) mit x = 0 horizontal in dem Gefäß platziert wurde (in einer Position, die von der in 4 gezeigten Position um 90° gedreht ist), wurde eine elektrische Entladung durch Anlegen einer elektrischen Energie von 200 W verursacht.
[Zweites Ausführungsbeispiel]
In einem zweiten Ausführungsbeispiel wurde als ein Beispiel einer Flüssigkeit mit einer Hydroxylgruppe, Alkohol als die Flüssigkeit L verwendet. Und zwar wurde ein Plasma durch die In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsvorrichtung auf ähnliche Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel erzeugt, mit der Ausnahme, dass die Flüssigkeit L Ethanol war und der Gefäßinnendruck auf 100 hPa gesetzt wurde. Die In-Flüssigkeit-Plasmaelektroden 1', die zu dieser Zeit verwendet wurden, wurden entsprechend an dem Gefäß 3 auf eine solche Weise montiert, dass x = 1, x = 0 und x = –1 waren. Bezüglich der entsprechenden Elektroden sind Werte der elektrischen Hochfrequenzenergie, wenn eine elektrische Entladung auftrat, in Tabelle 2 gezeigt.
Auch wenn die Flüssigkeit L Ethanol war, konnte ein Plasma erzeugt werden. Zusätzlich, auch wenn die elektrische Entladungsendoberfläche 121 aus der Bezugsebene 171 hervorstand (0 < x) oder in der Bezugsebene 171 nach innen versetzt lag (x < 0), wurde durch Anlegen einer elektrischen Energie von 100 W ein Plasma erzeugt.
Das erzeugte Plasma bewegte sich zusammen mit den Blasen und kam in Kontakt mit der Oberfläche der zweiten Elektrode 4, die in der Flüssigkeit gehalten wurde. Wenn die Oberfläche der zweiten Elektrode 4 beobachtet wurde, nachdem die elektrische Entladung beendet war, wurde bestätigt, dass Kohlenstoff, der innerhalb der Blasen in einen Plasmazustand aktiviert wurde, auf der Oberfläche der zweiten Elektrode 4 abgelagert wurde.
[Drittes Ausführungsbeispiel]
Ein Plasma wurde durch die In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsvorrichtung auf eine ähnliche Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel erzeugt, mit der Ausnahme, dass das leitende Element 12 einen Durchmesser von 1.5 mm (d = 1.5) hatte, die Flüssigkeit L Ethanol war, die Distanz D zwischen den Elektroden 3 mm war, und der Gefäßinnendruck 100 hPa war. Der innere Durchmesser des isolierenden Elements 17 wurde ebenso auf 1.5 mm geändert, um zu dem Durchmesser des leitenden Elements 12 zu passen. Die In-Flüssigkeit-Plasmaelektroden 1', die zu dieser Zeit verwendet wurden, wurden entsprechend an dem Gefäß 3 auf eine solche Weise montiert, dass x = ±4, ±3, ±1, 0 war. Bezüglich der entsprechenden Elektroden, sind die Werte der elektrischen Hochfrequenzenergie, wenn eine elektrische Entladung auftrat, in Tabelle 3 gezeigt.
Bei #3-1 und #3-7, bei welchen x = 4 war, wurde keine Plasmaerzeugung beobachtet, auch wenn die elektrische Energie 600 W erreicht hat. Bei #3-2 und #3-6, bei welchen x = 3 war, wurde eine Plasmaerzeugung bei nicht mehr als 500 W bestätigt. Bei #3-3 bis #3-5, bei welchen x = 1 oder x = 0 war, konnte ein Plasma in der Flüssigkeit bei 200 W erzeugt werden. Und zwar, weil d und x die Bedingung –2d ≤ x ≤ 2d erfüllt haben, konnte in der Flüssigkeit ein Plasma erzeugt werden, ohne eine übermäßig große elektrische Energie anzulegen. Außerdem, wenn –d ≤ x ≤ d, konnte die zur Plasmaerzeugung notwendige elektrische Energie reduziert werden.
[Viertes Ausführungsbeispiel]
Ein Plasma wurde durch die In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsvorrichtung auf eine ähnliche Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel erzeugt, mit der Ausnahme, dass das leitende Element 12 aus reinem Kupfer (C1011; sauerstofffreier Kupfer (JIS)) geformt war und einen Durchmesser von 4 mm (d = 4) hatte, die Flüssigkeit L die Tetraethoxysilan (TEOS) war, die Distanz D zwischen den Elektroden 3 mm war, und der Gefäßinnendruck 50 hPa war. Der innere Durchmesser des isolierenden Elements 17 wurde ebenso geändert, um zu dem Durchmesser des leitenden Elements 12 zu passen. Die In-Flüssigkeit-Plasmaelektroden 1', die zu dieser Zeit verwendet wurden, wurden auf eine solche Weise montiert, dass x = ±1, 0 war. Bezüglich der entsprechenden Elektroden sind Werte der elektrischen Hochfrequenzenergie, wenn eine elektrische Entladung auftrat, in Tabelle 4 gezeigt.
Auch wenn TEOS als die Flüssigkeit L verwendet wurde, konnte ein Plasma erzeugt werden. Zusätzlich, auch wenn die elektrische Entladungsendoberfläche 121 aus der Bezugsebene 171 hervorstand (0 < x) oder von der Bezugsebene 171 nach innen versetzt lag (x < 0), wurde ein Plasma durch Anlegen einer elektrischen Energie von 200 W erzeugt.
[Fünftes Ausführungsbeispiel]
Ein Plasma wurde durch die In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsvorrichtung auf eine ähnliche Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel erzeugt, mit der Ausnahme, dass das leitende Element 12 aus purem Kupfer (C1011) geformt war und einen Durchmesser von 0,3 mm (d = 0,3) hatte, die Flüssigkeit L Ethanol war, die Distanz zwischen den Elektroden 3 mm war und der Gefäßinnendruck 50 hPa war. Der innere Durchmesser des isolierenden Elements 17 wurde ebenso geändert, um zu dem Durchmesser des leitenden Elements 12 zu passen. Die In-Flüssigkeit-Plasmaelektroden 1', die zu dieser Zeit verwendet wurden, wurden auf eine solche Weise montiert, dass x = ±0.5, 0 war. Bezüglich der entsprechenden Elektroden sind Werte der elektrischen Hochfrequenzenergie, wenn eine elektrische Entladung auftrat, in Tabelle 5 gezeigt.
Bei #5-1 bis #5-3, bei welchen der Wert von x die Bedingung –2d ≤ x ≤ 2d trotz d = 0.3 erfüllte, konnte in Ethanol durch Anlegen einer elektrischen Energie von 150 W ein Plasma erzeugt werden.
[Sechstes bis vierzehntes Ausführungsbeispiel]
In diesen Ausführungsbeispielen wurde ein Plasma durch die In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsvorrichtung auf eine ähnliche Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel erzeugt, mit der Ausnahme, dass die Form der In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode 1 geändert wurde, und das Material des leitenden Elements und des isolierendes Elements, die Art der Flüssigkeit L, die Distanz zwischen den Elektroden und der Gefäßinnendruck auf die in Tabellen 6 bis 14 gezeigten Werte geändert wurden. Nachstehend werden die In-Flüssigkeit-Plasmaelektroden 1'', die in den entsprechenden Ausführungsbeispielen verwendet wurden, unter Verwendung von 6 beschrieben.
Jede der In-Flüssigkeit-Plasmaelektroden 1'' dieser Ausführungsbeispiele umfasst ein leitendes Element 13, das aus Metall geformt ist, und ein isolierendes Element 18. 6 zeigt ein Beispiel der In-Flüssigkeit-Plasmaelektroden 1'' der sechsten bis vierzehnten Ausführungsbeispiele und sind eine Längsquerschnittsansicht der In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode 1'' (die rechte Figur von 6) und eine Querschnittsansicht der In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode 1'' senkrecht zu der Längsrichtung (die linke Figur in 6). Als leitendes Element 13 wurde ein plattenförmiger Körper 135, der aus reinem Aluminium (A1050) oder reinem Kupfer (C1011) besteht und eine Größe von 30 mm × 10 mm × 2 mm (d = 2) hatte, wenn x = 0 war, und ein Halter 136 mit einer rechteckigen Säulenform eingesetzt. Eine flache Endoberfläche 131 mit 10 mm × 2 mm des plattenförmigen Körpers 135 wurde als eine elektrische Entladungsendoberfläche verwendet. An einer Kante der Endoberfläche 131 war ein abgeschrägter Abschnitt 132 mit R = 0,2 mm geformt. Ein Teil der Mitte des anderen Endabschnitts, der dem Endabschnitt 131 gegenüber stand, wurde in eine 2 mm breite Vertiefung der Halterung 136 eingesetzt. Außerdem wurde als das isolierende Element 13 eine isolierende Abdeckung verwendet, die aus Keramik oder einem mit Glasfaser vermischten Epoxidharz geformt war. Die isolierende Abdeckung wurde bereitgestellt, um die Oberfläche des leitenden Elements 13 (den plattenförmigen Körper 135 und die Halterung 136) zumindest mit Ausnahme der Endoberfläche 131 zu bedecken. An einem Elektrodenendabschnitt 10'' hatte die isolierende Abdeckung eine Dicke von 3 mm.
An jedem der Elektrodenendabschnitte 10'' der In-Flüssigkeit-Plasmaelektroden 1' wurde die Größe des isolierendes Elements 18 angepasst, um eine Distanz x von einer Bezugsebene 181 zu der Endoberfläche 131 (der elektrischen Entladungsendoberfläche) zu bestimmen, wenn die Bezugsebene 181 eine Endoberfläche des isolierendes Elements ungefähr parallel zu der Endoberfläche 131 war. In diesen Ausführungsbeispielen wurden die In-Flüssigkeit-Plasmaelektroden 1'' an dem Gefäß 3 auf eine solche Weise montiert, dass die Distanz zwischen der Bezugsebene 181 und der Endoberfläche 131 (der elektrischen Entladungsendoberfläche) irgendeine von x = ±4, ±3, ±2, ±1, 0 war. Bezüglich der entsprechenden Elektroden sind Werte der elektrischen Hochfrequenzenergie, wenn eine elektrische Entladung auftrat, in Tabellen 6 bis 14 gezeigt.
Im sechsten Ausführungsbeispiel und siebten Ausführungsbeispiel unterschied sich das Material des isolierenden Elements 18 (die isolierende Abdeckung) zwischen Keramik und Epoxidharz. Sowohl in dem sechsten Ausführungsbeispiel als auch in dem siebten Ausführungsbeispiel trat eine elektrische Entladung auf, bevor die elektrische Energie 600 W erreichte. Im siebten Ausführungsbeispiel unter Verwendung der isolierenden Abdeckung, die aus Epoxidharz geformt war, als das isolierende Element 18 konnte ein Plasma jedoch effektiver bei einer niedrigeren elektrischen Energie erzeugt werden.
Außerdem konnten im sechsten Ausführungsbeispiel bis zum achten Ausführungsbeispiel, da –2d ≤ x ≤ 2d war, in der Flüssigkeit ein Plasma erzeugt werden, ohne eine extrem große elektrische Energie anzulegen. Des Weiteren, wenn –d x ≤ d galt, konnte die zur Plasmaerzeugung notwendige elektrische Energie reduziert werden.
Im neunten Ausführungsbeispiel und zehnten Ausführungsbeispiel wurde als die Flüssigkeit L Ethanol verwendet und ein Plasma konnte auch in Ethanol erzeugt werden.
Das zwölfte Ausführungsbeispiel und das dreizehnte Ausführungsbeispiel sind Ausführungsbeispiele, bei welchen die Distanz von der Endoberfläche 131 (der elektrischen Entladungsendoberfläche) zu der Oberfläche der zweiten Elektrode 4 konstant gehalten wurde (2 mm). Unter dieser Bedingung, wenn X = 6 war, trat keine elektrische Entladung auf, auch wenn die elektrische Energie 600 W erreichte, aber in dem Bereich, in dem –2d ≤ x ≤ 2d und des Weiteren –d ≤ x ≤ d galt, konnte in der Flüssigkeit ein Plasma erzeugt werden, ohne eine übermäßig große elektrische Energie anzulegen. Außerdem konnte im zwölften Ausführungsbeispiel unter Verwendung der isolierenden Abdeckung, die aus Epoxidharz geformt war, ein Plasma effektiver bei einer niedrigeren elektrischen Energie erzeugt werden.
Außerdem wurde in dem sechsten Ausführungsbeispiel bis zum vierzehnten Ausführungsbeispiel reines Aluminium oder reines Kupfer als das leitende Element 13 verwendet, und in beiden Fällen konnte ein Plasma gut erzeugt werden. Des Weiteren, wenn die Flüssigkeit L Leitungswasser war, wie in dem vierzehnten Ausführungsbeispiel, konnte ein Plasma gut erzeugt werden.
Das erzeugte Plasma bewegte sich zusammen mit den Blasen und kam in Kontakt mit der Oberfläche der zweiten Elektrode 4, die in der Flüssigkeit gehalten wurde. Zusätzlich, im sechsten bis dreizehnten Ausführungsbeispiel, wenn die Oberfläche der zweiten Elektrode 4 beobachtet wurde, nachdem die elektrische Entladung beendet war, wurde bestätigt, dass Kohlenstoff, der innerhalb der Blasen in einen Plasmazustand aktiviert wurde, geradlinig auf der Oberfläche der zweiten Elektrode 4 abgelagert wurde.
[Fünfzehntes Ausführungsbeispiel]
Bei der In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode 1' des ersten Ausführungsbeispiels wurde ein Vergleich einer elektrischen Energie, die eine elektrische Entladung erzeugt, unter Verwendung einer Vielzahl von Metallen (genauer hochreines Molybdän (Mo), Silber (Ag), Aluminium (Al: Al050), Wolfram (W), Kupfer (Cu: C1011)) als Rohmaterialien des leitenden Elements 12 durchgeführt und die Ergebnisse sind in Tabelle 15 gezeigt. Bei jeder der In-Flüssigkeit-Plasmaelektroden 1 hatte das leitende Element 12 einen Durchmesser von d = 0,7 mm, die Distanz von der Bezugsebene 171 zu der Endoberfläche 121 (der elektrischen Entladungsendoberfläche) war x = 2 mm.
Bezüglich der entsprechenden Elektroden, sind Werte der elektrischen Hochfrequenzenergie, wenn eine elektrische Entladung auftrat, in Tabelle 15 gezeigt. Tabelle 15

Metall Mo Ag Al W Cu

elektrische Energie [W] 420 420 320 320 220
Wie in Tabelle 15 gezeigt erzeugte Kupfer eine elektrische Entladung bei der kleinsten elektrischen Energie. Wenn Silber oder Aluminium verwendet wurden, wurden die Komponenten in der Flüssigkeit L (Leitungswasser) aufgelöst, nachdem die elektrische Entladung beendet war, und in dem Fall von Silber wurde die Farbe des Leitungswassers schwarz und in dem Fall von Aluminium grün.
[Sechzehntes Ausführungsbeispiel]
Ein Ausführungsbeispiel, bei welchem das In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsverfahren der vorliegenden Erfindung auf wasserhaltige Lösungen angewendet wurde, wird beschrieben. Ein Aufbau dieses Ausführungsbeispiels war ähnlich dem des ersten Ausführungsbeispiels, mit der Ausnahme, dass für die In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode 1' reines Kupfer (C1011) mit d = 0,7 mm als das leitende Element 12 verwendet wurde, eine 1% NaCl wasserhaltige Lösung oder eine 0,5% Alaun wasserhaltige Lösung als die Flüssigkeit L verwendet wurde und die zweite Elektrode nicht in die Flüssigkeit L getaucht war (dies war auf eine Anpassung gerichtet). Außerdem war die Distanz von der Bezugsebene 171 zu der Endoberfläche 121 (der elektrischen Entladungsendoberfläche) x = –2 mm.
In beiden Fällen, in denen die Flüssigkeit L die NaCl wasserhaltige Lösung oder die Alaun wasserhaltige Lösung war, startete eine elektrische Entladung, wenn eine elektrische Energie von 250 W angelegt wurde. Und zwar, auch wenn die Flüssigkeit L eine wasserhaltige Lösung war, konnte eine elektrische Entladung in der Flüssigkeit erhalten werden. Speziell, wenn die NaCl wasserhaltige Lösung verwendet wurde, wurde eine Emission von orangem Licht, welches die D-Leitung von NA war, beobachtet.
[Siebzehntes Ausführungsbeispiel]
Ein Ausführungsbeispiel, bei welchem das In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsverfahren der vorliegenden Erfindung auf die Zersetzung von Materialien angewendet wurde, wird beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Zersetzung von Lebensmittelfarben gezeigt. Der Aufbau dieses Ausführungsbeispiels war ähnlich zu dem des ersten Ausführungsbeispiels, mit der Ausnahme, dass für die In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode 1' reines Kupfer (C1011) mit d = 2,8 mm als das leitende Element 12 verwendet wurde und 300 ccm einer wasserhaltigen Lösung mit grüner Farbe (Blau Nr. 1: 1%, Gelb Nr. 4: 3,5%, Stärke: 94%) oder roter Farbe (Rot Nr. 102: 10%, Stärke: 90%) bei einer Konzentration von 0,1 g/L als die Flüssigkeit L verwendet wurde. Außerdem war die Distanz von der Bezugsebene 171 zu der Endoberfläche 121 (der elektrischen Entladungsendoberfläche) x = 2 mm.
Im Fall von grüner Farbe entlud sich die Flüssigkeit L mit der grünen Farbe bei 500 W und die Flüssigkeit L wurde der elektrischen Entladung durch Anwenden einer elektrischen Energie von 500 W für 3 Minuten (Reflektion: 200 W) ausgesetzt. Im Vergleich zu vor der Reaktion wurde die Farbe der wasserhaltigen Lösung nach der Reaktion heller und der Farbton hat sich ebenso geändert. Um diese Änderung quantitativ zu klären, wurde eine Absorptionsspektrometrie durchgeführt. Die Ergebnisse sind in 7 gezeigt. Die Höhe der Spitzen um 630 nm wurde um 45% reduziert, und dies deutet an, dass eine entsprechende chemische Substanz um 45% zersetzt wurde. Die Spitze um 410 nm wurde ebenso extrem klein und daher ist klar, dass eine chemische Substanz entsprechend 410 nm schneller reagiert hat als die chemische Substanz entsprechend den Spitzen um 630 nm (Blau).
Andererseits, in dem Fall der roten Farbe, wurden 300 W für 3 Minuten (Reflektion: 100 W) angelegt und die wasserhaltige Lösung wurde der elektrischen Entladung ausgesetzt. Absorptionsspektra vor und nach der Reaktion sind in 8 gezeigt. Die Spitze vor der Reaktion (508 nm, 0,342 Abs) wurde nach der Reaktion kleiner (0,194 Abs) und wurde auf die Seite der langen Wellenlängen verschoben. Diese Verschiebung deutete eine strukturelle Änderung an, wie etwa eine Erweiterung eines konjugierten Systems durch Dehydrierung oder Ähnliches. Wie vorstehend erwähnt kann die vorliegende Erfindung durch Steuern von Bedingungen als ein chemischer Reaktor verwendet werden.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Wie vorstehend erwähnt ermöglichen die In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode, die In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsvorrichtung und das In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ein Hochenergieplasma in einer breiten Vielzahl von Flüssigkeiten, die eine leitende Flüssigkeit wie Wasser oder Alkohol enthalten, zu erzeugen. Und zwar kann die vorliegende Erfindung auf chemisches Bedampfen, einen chemischen Reaktor, einen Berstofen für gefährliche Substanzen verwendet werden.
Des Weiteren, gemäß dem In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsverfahren der vorliegenden Erfindung, obwohl ein Hochenergieplasma einer hohen Temperatur in einer Flüssigkeit erzeugt wird, ist das Plasma von der Flüssigkeit mit einer großen Hitzekapazität umgeben und dementsprechend kann die vorliegende Erfindung zur Bedampfung der Oberfläche von Materialien mit niedriger Hitzebeständigkeit verwendet werden.

Claims

In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode (1; 1'; 1'') zum Erzeugen eines Plasmas in einer Flüssigkeit, die aufweist: ein leitendes Element (11; 12; 13) mit einer elektrischen Entladungsendoberfläche (111; 121; 131), die mit der Flüssigkeit in Kontakt ist; und ein isolierendes Element (16; 17; 18), das eine äußere Umgebung des leitenden Elements zumindest mit Ausnahme der elektrischen Entladungsendoberfläche bedeckt, dadurch gekennzeichnet, dass ein leitender Endabschnitt (110) des leitenden Elements (11; 12; 13) mit der elektrischen Entladungsendoberfläche einen ungefähr kreisförmigen oder ungefähr rechteckigen Querschnitt besitzt, und d und x die Bedingung –2d ≤ x ≤ 2d erfüllen, wobei d eine Länge einer kleinen Achse oder einer kurzen Seite des Querschnitts des leitenden Elements (11; 12; 13) ist, und x eine Distanz von einer Bezugsebene (161; 171; 181) zu einer Ebene ist, die die elektrische Entladungsendoberfläche (111; 121; 131) enthält, wenn die Bezugsebene eine Endoberfläche des isolierenden Elements ist, die ungefähr parallel zu der elektrischen Entladungsendoberfläche ist.
In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode gemäß Anspruch 1, wobei d und x die Bedingung –d ≤ x ≤ d erfüllen.
In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode gemäß Anspruch 1, wobei x die Bedingung –1 ≤ x ≤ 1 (Einheit in mm) erfüllt, wobei x eine Distanz zwischen einer Bezugsebene (161; 171; 181) zu einer Ebene ist, die die elektrische Entladungsendoberfläche (111; 121; 131) enthält, wenn die Bezugsebene eine Endoberfläche des isolierenden Elements ist, die ungefähr parallel zu der elektrischen Entladungsendoberfläche ist.
In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Querschnitt des leitenden Endabschnitts (110) genau ein Kreis oder ein Rechteck ist.
In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei x die Bedingung x < 0 erfüllt.
In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei x die Bedingung x = 0 erfüllt.
In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei x die Bedingung 0 < x erfüllt.
In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsvorrichtung, die aufweist: ein Gefäß (3) zum Aufnehmen einer Flüssigkeit; eine In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode (1) mit einem leitenden Element (11; 12; 13) mit einer elektrischen Entladungsendoberfläche (111; 121; 131), die mit der Flüssigkeit in Kontakt ist, und einem isolierenden Element (16; 17; 18), das eine äußere Umgebung des leitenden Elements zumindest mit Ausnahme der elektrischen Entladungsendoberfläche bedeckt, wobei zumindest ein Endabschnitt der In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode innerhalb des Gefäßes platziert ist; und eine Hochfrequenzenergiequelle zum Zuführen elektrischer Energie zu zumindest dem leitenden Element; dadurch gekennzeichnet, dass ein leitender Endabschnitt (110) des leitenden Elements (11; 12; 13) mit der elektrischen Entladungsendoberfläche (111; 121; 131) einen ungefähr kreisförmigen oder ungefähr rechteckigen Querschnitt besitzt, und d und x die Bedingung –2d ≤ x ≤ 2d erfüllen, wobei d eine Länge einer kleinen Achse oder einer kurzen Seite des Querschnitts des leitenden Elements (11; 12; 13) ist, und x eine Distanz von einer Bezugsebene (161; 171; 181) zu einer Ebene ist, die die elektrische Entladungsendoberfläche (111; 121; 131) enthält, wenn die Bezugsebene eine Endoberfläche des isolierenden Elements ist, die ungefähr parallel zu der elektrischen Entladungsendoberfläche ist.
In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsvorrichtung gemäß Anspruch 8, weiter mit einer zweiten Elektrode (4), die dem Endabschnitt der In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode (1) gegenüber steht.
In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsverfahren zum Erzeugen eines Plasmas in einer Flüssigkeit mit einer In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Energie durch eine elektrische Hochfrequenzquelle an die In-Flüssigkeit-Plasmaelektrode zugeführt wird.
In-Flüssigkeit-Plasmaerzeugungsverfahren gemäß Anspruch 10, wobei ein wasserhaltiges Material als die Flüssigkeit verwendet wird.