JP2009283420A - 液体ストリーマ状放電発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電源部の規模の大型化を抑制しつつ、ストリーマ状放電の先端数をより増加させることができる液体ストリーマ状放電発生装置を提供する。
【解決手段】液体３４中の放電を生成する一対の電極３１，３２と、これら電極３１，３２間に所定の周期で繰り返し高電圧パルスを印加して放電を行わせる電源部２０とを備え、電源部２０は、一対の電極３１，３２間に印加する高電圧パルスとして、立ち上がりが急峻な高電圧パルスを印加する。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体中にストリーマ状放電を発生させる液体ストリーマ状放電発生装置に関する。

近年、パルスパワーによる大気圧気体中のストリーマ状（繊維状）放電に関する研究が進展してきており、特に産業応用に関する多くの研究がなされている。パルスパワーとは、ごく短い時間に発生する大電力を表す。

このストリーマ状放電により、高電界、紫外線、活性種、オゾン、衝撃波など特異な物理現象が発生する。そのため、これらの作用を用いた産業応用が多数検討されている。例えば、排ガス処理、オゾン生成、ＶＯＣ（揮発性有機化合物）処理、ダイオキシン分解、殺菌等に応用が検討されている。

ところで、液体中で大気圧気体中と同様な大容量ストリーマ状放電を生成することができれば、ストリーマ状放電の特異性により、大気圧気体中と同様の効果が期待できる。例えば、液体中における化学物質の分解、オゾン生成、水処理、殺菌、ダイオキシン処理等である。

パルスパワーを用いた液体中のストリーマ状放電技術として、液体中に置かれた二つの電極間にパルスパワーとして高電圧パルスを印加することにより、大容量ストリーマ状放電を生成する技術がある。

例えば、特許文献１には、円筒状電極を接地電位とし、当該円筒状電極の円筒軸上に置かれた高電圧電極に電源部からのパルスパワーを印加する技術が開示される。また、特許文献２には、線状電極と平板電極との間に電源部からのパルスパワーを印加する技術が開示されている。
特開平１１−１９２２８７号公報 特開２００１−２９３０６７号公報

上述したように、ストリーマ状放電により各種物理現象が発生することから、このストリーマ状放電の進展長やその数を増加させて処理容積を増加させることが望ましい。

しかしながら、従来技術においては、ストリーマ状放電による処理容積を増加させようとすると、電源部の規模を大型化しなければならなった。

そこで、本発明は、電源部の規模の大型化を抑制しつつ、ストリーマ状放電による処理容積を増加させることができる液体ストリーマ状放電発生装置を提供することを目的とする。

本発明の液体ストリーマ状放電発生装置では、液体中の放電を生成する一対の電極と、前記一対の電極間に所定の周期で繰り返し高電圧パルスを印加して放電を行わせる電源部と、を備え、前記電源部は、前記一対の電極間に印加する高電圧パルスとして、立ち上がりが急峻なパルス電圧を印加する。例えば、立ち上がりが急峻な鋸歯状パルス電圧、或いは立ち上がりが急峻な方形波状パルス電圧を印加する。

また、本発明の液体ストリーマ状放電発生装置では、以下の点にも特徴を有する。すなわち、
（１）一対の電極を、高電圧パルスを印加する線状電極又は針状電極と、接地した平板電極、メッシュ状電極、リング状電極又は筒状電極とから構成したこと。
（２）前記電極対を複数設けたこと。
（３）前記線状電極又は針状電極は、その一部からのみ放電を行うべく前記一部を除き絶縁部材で被覆したこと。
（４）前記電源部は、パルス電流を発生するパルス発生回路と、可飽和リアクトルとコンデンサとを有し、前記パルス電流から磁気パルス圧縮によりパルス幅を狭くしたパルス電流を生成する磁気パルス圧縮部と、前記磁気パルス圧縮部の出力に接続されたピーキングコンデンサと、を備え、前記磁気パルス圧縮部のコンデンサの容量値を前記ピーキングコンデンサの容量値の２倍以上としたこと。

本発明の液体ストリーマ状放電発生装置では、電源部は立ち上がりが急峻な高電圧パルスを一対の電極間に印加することにより、電源部の回路規模の増大を抑制しつつ、ストリーマ状放電の進展長の延長やその数を増加させることができる。

本実施形態の液体ストリーマ状放電発生装置は、液体中の放電を生成する一対の電極と、この一対の電極間に所定の周期で繰り返し高電圧パルスを印加して放電を行わせる電源部とを備えている。

しかも、電源部は、一対の電極間に印加する高電圧パルスとして、立ち上がりが急峻な高電圧パルスを印加するようにしている。これにより、ストリーマ状放電の進展長の延長やその数を増加させることができる。その結果、電源部の回路規模の増大を抑制することができる。

また、上記一対の電極を、高電圧パルスを印加する線状電極又は針状電極と、接地した平板電極、メッシュ状電極、リング状電極又は筒状電極とから構成することで、表面積の小さい線状電極又は針状電極からストリーマ状放電を行なうことができる。

また、高電圧パルスを印加する線状電極又は針状電極を複数設けることで電極対を複数として、ストリーマ状放電による処理容積をより増加させることができる。

また、線状電極及び針状電極は、その一部からのみ放電を行うべく前記一部を除き絶縁部材で被覆することにより、線状電極及び針状電極の放電面積を小さくすることができ、放電不良などをより抑制することができる。

さらに、電源部は、パルス電流を発生するパルス発生回路と、可飽和リアクトルとコンデンサとを有し、パルス電流から磁気パルス圧縮によりパルス幅を狭くしたパルス電流を生成する磁気パルス圧縮部と、磁気パルス圧縮部の出力に接続されたピーキングコンデンサと、を備え、磁気パルス圧縮部のコンデンサの容量値をピーキングコンデンサの容量値の２倍以上とすることにより、電源部の回路規模を増大させることなく、容易に立ち上がりが急峻な鋸波状の高電圧パルスをさせることができる。しかも、高電圧パルスを高い周期で繰り返し発生させることができる。

以下において、本発明の実施形態を詳説する。図１は本実施形態における液体ストリーマ状放電発生装置の構成を示す図、図２は本実施形態における液体ストリーマ状放電発生装置の電極の配置を説明するための図、図３は本実施形態における液体ストリーマ状放電発生装置による放電電圧電流波形を示す図，図４は従来の液体ストリーマ状放電発生装置によるストリーマ状放電の様子を示す図、図５は本実施形態における液体ストリーマ状放電発生装置によるストリーマ状放電の様子を示す図、図６は高電圧パルスを印加する電極の数を複数設けた一例を示す図である。

図１に示すように、液体ストリーマ状放電発生装置Ａでは、所定の周期で繰り返し高電圧パルスを発生する高繰返しパルス電源部２０と、この高繰返しパルス電源部２０に接続され、高電圧パルスが印加されて液体中の放電を生成する一対の電極３１，３２とを備えている。そして、この液体ストリーマ状放電発生装置Ａは、容器３３に収納された液体３４内でストリーマ状放電を数百回／ｓの頻度で発生させる。なお、本実施形態においては、液体３４として水を用いることとするが、他の液体においても同様のストリーマ状放電が得られる。

高繰返しパルス電源部２０は、パルス電流Ｉ₁を発生するパルス発生回路２１と、このパルス発生回路２１が出力するパルス電流Ｉ₁から磁気パルス圧縮した狭幅のパルス電流Ｉ₃を生成する磁気パルス圧縮部２２とから構成される。

パルス発生回路２１は、高圧充電器１０により電力用の初段コンデンサＣ₀を初期充電している状態で、半導体スイッチＳＷのオン制御でコンデンサＣ₀から可飽和リアクトルＳＩ₀を通してパルストランスＰＴにパルス電流Ｉ₀を流す。このとき可飽和リアクトルＳＩ₀は磁気スイッチ動作し、半導体スイッチＳＷが完全にオン動作した後に電流Ｉ₀を流すことで半導体スイッチＳＷのスイッチング損失を軽減する。

パルストランスＰＴの２次側には磁気パルス圧縮部２２が接続される。この磁気パルス圧縮部２２は、２つの磁気パルス圧縮回路２３ａ，２３ｂが縦続接続されて構成される。初段の磁気パルス圧縮回路２３ａにおいてはパルストランスＰＴで昇圧したパルス電流Ｉ₁でコンデンサＣ₁が高圧充電され、このコンデンサＣ₁の充電電圧で可飽和リアクトルＳＩ₁が磁気スイッチ動作することにより磁気パルス圧縮した狭幅のパルス電流を次段の磁気パルス圧縮回路２３ｂに供給する。同様の磁気スイッチ動作により、次段の磁気パルス圧縮回路２３ｂで磁気パルス圧縮が行なわれる。なお、図示しないがパルストランスＰＴや可飽和リアクトルＳＩ₀〜ＳＩ₂にはそれぞれ磁気リセット回路が設けられ、この磁気リセット回路によってパルストランスＰＴや可飽和リアクトルＳＩ₀〜ＳＩ₂のリセット巻線に直流バイアス電流をそれぞれ供給してコアの磁化方向を初期状態に戻すようにしている。

磁気パルス圧縮回路２３ｂのパルス出力は、一対の電極３１，３２に狭幅の高電圧パルス電流Ｉ₄を供給する。高繰返しパルス電源部２０にはピーキングコンデンサＣ_Pが設けられており、パルス電流Ｉ₃でピーキングコンデンサＣ_Pが一定電圧レベルまで充電されたときに一対の電極３１，３２間での放電が行なわれる。

図２に示すように、電極３１は線状又は針状であり、容器３３内の液体３４の液面又はその近傍に配置される。この電極３１は、その先端部３１ａからのみ放電を行うべく先端部３１ａを除き絶縁部材４０で被覆される。これにより、電極３１の液体との接触面積を小さくすることができ、三重点からの液中ストリーマ放電を生成できる。ここでは、電極３１の直径を０．８ｍｍとし、電極３１を絶縁部材４０で被覆したときの直径を３．０ｍｍとする。また、図２に示すように、絶縁部材４０で被覆した線状の電極３１を切断してその先端部３１ａを形成するようにしている。なお、絶縁部材としては、例えば、フッ素樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリエステルなどを用いることができる。また、線状の電極３１の材料として、ステンレス、チタン、タングステン、銅、鉄、アルミなどを用いることができる。

また、電極３２は、平板状の電極であり、容器３３の液体３４中の底面に配置される。ここでは、電極３２の材料として、ステンレス、チタン、タングステン、銅、鉄、アルミなどを用いることができる。なお、この電極３２は、平板状の電極に代えて、メッシュ状電極、リング状電極又は筒状電極を用いるようにしてもよい。

ここで、高繰返しパルス電源部２０では、最終段の磁気パルス圧縮回路２３ｂのコンデンサＣ₂の容量値をピーキングコンデンサＣ_Pの容量値の２倍以上としている。これにより一対の電極３１，３２間には、図３（ａ），（ｂ）に示すように、立ち上がりが急峻な鋸歯状の電圧及び電流が発生する。図３（ａ）は電極３１，３２間の電圧波形を示し、図３（ｂ）は電極３１，３２間の電流波形を示す。

このように立ち上がりが急峻な鋸歯状の電圧及び電流を電極３１，３２間に印加することによって、図４に示すような従来のストリーマ状放電に比べて、図５に示すように、ストリーマ状放電の進展長及びその数をより増加させることができる。しかも、パルス圧縮回路の段数を増加させずに、ピーキングコンデンサＣ_Pの容量値を調整することで、立ち上がりが急峻な鋸歯状の電圧及び電流を発生させることができるので、高繰返しパルス電源部２０の回路規模の増大を抑制することができる。

本願発明者は、鋭意研究を重ねた結果、電極３１，３２間に印加する高電圧パルスは、立ち上がりが急峻な鋸歯状の高電圧パルスに限らず、立ち上がりが急峻な方形波状の高電圧パルスや立ち上がりが急峻な三角波状の高電圧パルスであってもよく、結果的に立ち上がりが急峻な高電圧でかつ数μｓのパルスであれば、ストリーマ状放電の進展長の延長やその数を飛躍的に増加させ、かつ安定的に数百Ｈｚ以上の高繰り返しで発生できる知見を得ることができたものである。

また、図６に示すように、線状の電極３１を多数設けることにより電極対を複数として、高繰返しパルス電源部２０の数を増加させることなく、同時に各電極３１からストリーマ状放電を発生させることができる。これにより、液体３４中における化学物質の分解、オゾン生成、水処理（アオコなどの有害生物処理）、殺菌、ダイオキシン処理等を効率的に行なうことができる。このように線状又は針状の電極３１は、その一部（先端部３１ａや後述の開口部４０ａなど）からのみ放電を行うべく一部を除き絶縁部材４０で被覆される。

以上、本発明の実施の形態のいくつかを図面に基づいて詳細に説明したが、これらは例示であり、当業者の知識に基づいて種々の変形、改良を施した他の形態で本発明を実施することが可能である。

例えば、パルス圧縮回路の段数を２段としたが１段あるいは３段以上としてもよい。また、鋸歯状の高電圧パルスとして２連の鋸歯状のものを例に挙げて説明したが、1連または３連以上の鋸歯状のものでもよい。

また、立ち上がりが急峻な高電圧パルスを発生させる回路として、図１の回路を例に挙げて説明したがこれに限られるものではない。

本実施形態における液体ストリーマ状放電発生装置の構成を示す図である。 本実施形態における液体ストリーマ状放電発生装置の電極の配置を説明するための図である。 本実施形態における液体ストリーマ状放電発生装置による放電電圧電流波形を示す図である。 従来の液体ストリーマ状放電発生装置によるストリーマ状放電の様子を示す図である。 は本実施形態における液体ストリーマ状放電発生装置によるストリーマ状放電の様子を示す図である。 高電圧パルスを印加する電極の数を複数設けた一例を示す図である。

符号の説明

Ａ 液体ストリーマ状放電発生装置
１０ 高圧充電器
２０ 高繰返しパルス電源部（電源部）
２１ パルス発生回路
２２ 磁気パルス圧縮部
２３ａ，２３ｂ 磁気パルス圧縮回路
３１ 線状又は針状の電極
３２ 平板状の電極
３３ 容器
３４ 液体

Claims (5)

1. 液体中の放電を生成する一対の電極と、
   前記一対の電極間に所定の周期で繰り返し高電圧パルスを印加して放電を行わせる電源部と、を備え、
   前記電源部は、前記一対の電極間に印加する高電圧パルスとして、立ち上がりが急峻な高電圧パルスを印加することを特徴とする液体ストリーマ状放電発生装置。
2. 前記一対の電極は、前記高電圧パルスを印加する線状電極又は針状電極と、接地した平板電極、メッシュ状電極、リング状電極又は筒状電極とから構成されることを特徴とする請求項１に記載の液体ストリーマ状放電発生装置。
3. 前記電極対を複数設けたことを特徴とする請求項２に記載の液体ストリーマ状放電発生装置。
4. 前記線状電極又は針状電極は、その一部からのみ放電を行うべく前記一部を除き絶縁部材で被覆されることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の液体ストリーマ状放電発生装置。
5. 前記電源部は、
   パルス電流を発生するパルス発生回路と、
   可飽和リアクトルとコンデンサとを有し、前記パルス電流から磁気パルス圧縮によりパルス幅を狭くしたパルス電流を生成する磁気パルス圧縮部と、
   前記磁気パルス圧縮部の出力に接続されたピーキングコンデンサと、を備え、
   前記磁気パルス圧縮部のコンデンサの容量値を前記ピーキングコンデンサの容量値の２倍以上としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の液体ストリーマ状放電発生装置。