JP2013128909A - 液体処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多数の気泡を安定的に発生させる。
【解決手段】処理対象の液体２を収容する処理漕１０には、複数の開口部１２が設けられる。気泡発生部２０は、複数の開口部１２を介して、気体を処理漕１０の内側に送り込む。気泡発生部２０は、気体の流量を一定に制御するともに、気体に周期的な圧力変動を発生させる。複数のアノード電極３２は、それぞれが開口部１２ごとに設けられ、処理漕１０の外側に、対応する開口部１２とオーバーラップする位置に設けられる。カソード電極３４は、処理漕１０の内側に設けられる。複数のリアクタンス素子３６は、それぞれがアノード電極３２ごとに設けられ、それぞれの第１端子が共通に接続され、それぞれの第２端子が対応するアノード電極３２に接続される。高電圧パルス発生回路３０は、複数のリアクタンス素子３６の共通に接続された第１端子に、圧力変動と同期した高電圧を発生させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、非処理液体を浄化し、あるいは化学反応を誘起する液体処理装置に関する。

水道水、下水、産業排水、プール用水をはじめとする非処理液体中に気泡を発生させ、気泡中にプラズマを発生することによって、液体を浄化し、あるいは特定の化学反応を誘起する液体処理装置が提案されている（たとえば特許文献１、２参照）。この方式によれば、従来の促進酸化処理では分解できなかった有機フッ素化合物などの難分解性物質を分解処理することができる。

特開２０１１−４１９１４号公報 特開２０１１−５６４５１号公報

このような液体処理装置によって大量の液体を処理するには、多数の気泡を同時に発生させる必要がある。

本発明はかかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、多数の気泡を安定的に発生させることが可能な液体処理装置の提供にある。

本発明のある態様は、液体処理装置に関する。液体処理装置は、処理対象の液体を収容し、複数の開口部が設けられた処理漕と、複数の開口部を介して、気体を処理漕の内側に送り込む気泡発生部であって、気体の流量を一定に制御するともに、気体に周期的な圧力変動を発生させる気泡発生部と、それぞれが開口部ごとに設けられ、処理漕の外側に、対応する開口部とオーバーラップする位置に設けられた複数のアノード電極と、処理漕の内側に設けられたカソード電極と、それぞれがアノード電極ごとに設けられ、それぞれの第１端子が共通に接続され、それぞれの第２端子が対応するアノード電極に接続された複数のリアクタンス素子と、複数のリアクタンス素子の共通に接続された第１端子に、圧力変動と同期した高電圧を発生させる高電圧パルス発生回路と、を備える。

この態様によると、気体に周期的な圧力変動を与えることにより、複数の開口部から間欠的に連続して、かつ確実に気泡を発生させることができる。また、圧力変動と同期して最適なタイミングで高電圧を発生させることにより、各開口部に生じている気泡内でプラズマを発生させることができる。さらに間欠的にプラズマを発生させることにより、放電電流は交流となるため、バラストとして抵抗ではなく、インダクタやキャパシタなどのリアクタンス素子を利用できるため、電力損失を低減できる。

複数のアノード電極は、メッシュ状に形成されてもよい。平板電極や棒状電極を用いると、電極によって気体の流れが妨げられ、一部の開口部において気泡が発生しないおそれがあるが、メッシュ状とすることで気体がすべての開口部に均一に供給され、安定的に気泡を発生できる。

圧力変動は、ある時刻に急激に増大し、続いて時間とともに低下し、再び増大するのこぎり波形を有してもよい。この場合、圧力の増大により気泡を成長させ、その後の圧力低下により、気泡を切り離すことができる。また圧力をゆるやかに低下させることにより、処理漕内の液体が吸い出されるのを防止できる。

気泡発生部は、スピーカと、スピーカを収容する筐体と、筐体内に一定の流量の気体を送り込むマスフローコントローラと、スピーカを駆動する駆動回路と、を備えてもよい。スピーカの表面から押し出される気体が、処理漕の複数の開口部に供給されてもよい。
この構成によれば、気体の流量を一定に制御するともに、気体に周期的な圧力変動を発生させることができる。またスピーカに与える駆動波形に応じて圧力を制御できる。

処理漕の、複数の開口部が生成される部分はセラミックで形成されてもよい。

アノード電極およびカソード電極の少なくとも一方は、誘電体で被覆もしくはコーティングされた金属であってもよい。
プラズマをパルス状に発生することで、放電電流が交流となるため、電極を誘電体で被覆することが可能となる。そして被覆によって金属が液体内、あるいは気体中に溶け出すのを防止でき、金属の寿命を延ばすことができる。

複数の開口部は、処理漕の底面にマトリクス状に配置されてもよい。開口部の間隔は、隣接する気泡が合体しない程度に密に配置しされてもよい。

なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、あるいは本発明の表現を、方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、多数の気泡を安定的に発生させることができる。

実施の形態に係る液体処理装置の構成を示す断面図である。 アノード電極および処理漕を底面側から見た平面図である。 高電圧パルス発生回路の構成例を示す回路図である。 図１の液体処理装置の動作を示す波形図である。 高電圧パルス発生回路の変形例を示す回路図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係る液体処理装置１の構成を示す断面図である。液体処理装置１は、処理漕１０、気泡発生部２０、高電圧パルス発生回路３０、複数のアノード電極３２、カソード電極３４、複数のリアクタンス素子３６を備える。

処理漕１０は、処理対象の液体を収容する容器であり、その少なくともひとつの面には、複数の開口部１２が設けられている。本実施の形態では、１０個の開口部１２が処理漕１０の底面に、２×５のマトリクス状に配置される。なお開口部１２の個数および配置は特に限定されず、開口部１２は、千鳥状に、あるいはランダムに配置されてもよい。これらの開口部１２は、気泡の発生源として機能すると同時に、プラズマの発生箇所となる。したがって開口部１２は、処理漕１０内の液体２が、処理漕１０の外部に漏れない程度に小さく、後述するプラズマが気泡内で確実に生成される程度に大きいサイズで形成される。たとえば開口部１２は、１ｍｍ程度に大きいと内部の液体２が外部に漏れ、０．１ｍｍ程度まで小さくなるとプラズマが生成されない。本実施の形態では、開口部１２の直径は、０．３〜０．５ｍｍ程度で形成される。

処理漕１０の材料は特に限定されず、ガラスやプラスティックなどが採用しうるが、収容する液体２に対して安定した材料であることが望ましい。さらには処理漕１０の複数の開口部１２が生成される部分１４を耐熱性、耐プラズマ性の低い材料で形成すると、プラズマが開口部１２を削ってしまい、放電が不安定になる。したがって部分１４には、耐熱性、耐プラズマ性が高い材料、たとえばセラミックなどで形成することが望ましい。

気泡発生部２０は、複数の開口部１２を介して、気体を処理漕１０の内側に送り込む。気体は、処理の内容に応じて適宜選択され、ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガスや、酸素などが利用される。気泡発生部２０は、送り込まれる気体の流量を一定に制御するとともに、気体に周期的な圧力変動を発生させる。圧力変動については後述する。

気泡発生部２０は、スピーカ（アクチュエータ）２２、スピーカ駆動回路２６、マスフローコントローラ２８、逆止弁２９を備える。
スピーカ２２は、筐体５０の内部に設けられている。筐体５０には、マスフローコントローラ２８から一定の流量で送り出される気体が、流路５２ａ、５２ｂを介して供給される。流路５２ａはスピーカ２２の表面側の空間と連通しており、流路５２ｂはスピーカ２２の裏面側の空間と連通している。流路５２ａの経路上には逆止弁２９が設けられる。

スピーカ駆動回路２６は、スピーカ２２のコイル（不図示）に、所望の圧力変動に応じた駆動電圧Ｖ_ＤＲＶを印加する。これにより駆動電圧Ｖ_ＤＲＶに応じた駆動電流がコイルに流れ、コーン２４が変位し、処理漕１０に供給される気体に圧力変動が加えられる。

複数のアノード電極３２はそれぞれ、開口部１２ごとに設けられる。各アノード電極３２は、処理漕１０の外側に、対応する開口部１２とオーバーラップする位置に設けられる。図２は、アノード電極３２および処理漕１０を底面側から見た平面図である。各アノード電極３２は、メッシュ状に形成されている。アノード電極３２の材料は特には限定されないが、たとえばタングステンであってもよい。

図１に戻る。カソード電極３４は、処理漕１０の内部の液体２の水面よりも下側に設けられる。たとえばカソード電極３４は金属棒であり、処理漕１０の側面から挿入され、外部において接地されてその電位が固定される。

カソード電極３４およびアノード電極３２は、ガラスなどの誘電体で被覆もしくはコーティングすることが望ましい。後述するように、本実施の形態では、プラズマをパルス状に発生することで、放電電流が交流となるため、カソード電極３４あるいはアノード電極３２を誘電体で被覆することが可能となる。この被覆によって金属が液体内あるいは気体内に溶け出すのを防止でき、また、金属の寿命を延ばすことができる。

複数のリアクタンス素子３６はそれぞれ、アノード電極３２ごとに設けられる。複数のリアクタンス素子３６の第１端子は電気的に共通に接続され、それぞれの第２端子は、対応するアノード電極３２に電気的に接続される。複数のリアクタンス素子３６は、インダクタであってもよいし、キャパシタであってもよく、これらは過電流を抑制するバラスト抵抗の代わりに設けられる。

高電圧パルス発生回路３０は、複数のリアクタンス素子３６の共通に接続された第１端子に、圧力変動と同期した高電圧Ｖ_ＨＩＧＨを発生させる。

図３は、高電圧パルス発生回路３０の構成例を示す回路図である。高電圧パルス発生回路３０は、昇圧回路４０と、放電スイッチＳＷ１を備える。昇圧回路４０は、昇圧トランスＴ１、スイッチング素子Ｍ１、整流ダイオードＤ１、出力キャパシタＣ１を備える。昇圧回路４０は、スイッチング素子Ｍ１をスイッチングすることにより入力直流電圧Ｖ_ＩＮを昇圧し、出力キャパシタＣ１に数百Ｖ〜数ｋＶの直流電圧Ｖ_ＤＣを生成する。昇圧回路４０の構成は特に限定されず、公知の任意の昇圧回路を利用できる。

放電スイッチＳＷ１は、昇圧回路４０の出力電圧Ｖ_ＤＣと接地端子の間の放電経路上に、リアクタンス素子３６、アノード電極３２およびカソード電極３４と直列に設けられる。放電スイッチＳＷ１は、カソード電極３４と接地端子の間に設けられてもよい。

放電スイッチＳＷ１がオンすると、高電圧Ｖ_ＤＣがリアクタンス素子３６を介してアノード電極３２に印加される。その結果、アノード電極３２とカソード電極３４の間で絶縁破壊が起き、気泡内にプラズマを発生させることができる。放電スイッチＳＷ１が、所定の周期、所定のデューティ比でオン、オフを繰り返すことにより、周期的にプラズマが生成される。

以上が液体処理装置１の構成である。続いてその動作を説明する。
図４は、図１の液体処理装置１の動作を示す波形図である。図４の上段はスピーカ２２に印加される駆動電圧Ｖ_ＤＲＶを、中段は、複数の開口部１２の付近における気体の圧力を、下段は高電圧パルス発生回路３０により生成されるパルス高電圧Ｖ_ＨＩＧＨを示す。

図４に示すように、スピーカ２２には、所定の周期Ｔ_ＣＹＣを有するのこぎり波形の駆動電圧Ｖ_ＤＲＶが印加される。具体的には、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶは、ある時刻に最小値から最大値に増大し、その後、周期Ｔ_ＣＹＣの間に最小値まで低下していく。駆動電圧ＶＤＲＶの最大値は、スピーカ２２のコーンが前方に押し出された状態であり、最小値はコーンが後方に引き込まれた状態を示す。

これにより、気体に与えられる圧力変動は、ある時刻に急激に増大し、続いて時間とともに低下し、再び増大するというステップを繰り返すのこぎり波形となる。スピーカ２２によって与えられた圧力変動が開口部１２に到達するには遅延が存在するため、開口部１２の周辺における圧力変動Ｐは、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶに対して遅延時間τ遅れている。

アノード電極３２とコーン２４の間のギャップに高電圧が印加される放電時間Ｔ_ＤＩＳは、処理対象の液体２の種類や、プラズマによって誘起させる化学反応の種類などに応じて最適化すればよい。

また気泡は、開口部１２において発生、成長し、やがて開口部１２から分離して液体２中に放出される。したがって、駆動電圧Ｖ_ＤＲＶのエッジと放電を開始するタイミングとの遅延時間Ｔｄを変化させることによって、任意のサイズの気泡において放電を発生できる。

以上が液体処理装置１の動作である。

もし仮に圧力変動を与えず、一定の流量で気体を複数の開口部１２に対して供給すると、ある開口部１２では気泡が発生し、別の開口部１２では気泡が発生しないという状況が起こりえる。さらにある開口部１２において気泡が発生したとしても、それは周期的にではなく、時間的にランダムに生成されてしまう。
これに対して実施の形態に係る液体処理装置１によれば、気体に周期的な圧力変動を与えることにより、複数の開口部１２から間欠的に連続して、かつ確実に気泡を発生させることができる。

また、圧力変動と同期して最適なタイミングで高電圧Ｖ_ＨＩＧＨを発生することにより、各開口部１２に生じている気泡内でプラズマを発生させることができる。

さらに間欠的にプラズマを発生させることにより、放電電流は交流となるため、バラストとして抵抗ではなく、インダクタやキャパシタなどのリアクタンス素子３６を利用できる。これによりバラスト抵抗を用いる場合に比べて電力損失および発熱を大幅に低減できる。

さらに液体処理装置１は、アノード電極３２がメッシュ状に形成される。仮にメッシュ状ではなく平板電極や棒状電極を用いる場合、電極自体によって気体の流れが妨げられ、圧力の集中、分散が発生し、すべての開口部１２に均一に気体が供給されず、結果として一部の開口部において気泡が発生しないおそれがある。これに対してメッシュ状のアノード電極３２を用いることで、気体がすべての開口部に均一に供給されるようにない、安定的に気泡を発生できる。

圧力変動をのこぎり波形とすることにより、圧力の増大により気泡を成長させ、その後の圧力低下により、気泡を切り離すことができる。また圧力をゆるやかに低下させることにより、処理漕内の液体が吸い出されるのを防止できる。

またプラズマをパルス状に発生することで、放電電流が交流となるため、アノード電極３２やカソード電極３４を誘電体で被覆、コーティングすることが可能となる。誘電体によって、金属が液体２内に溶け出すのを防止でき、金属の寿命を延ばすことができる。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

複数の開口部１２は、処理漕１０の側面に設けられてもよい。あるいは複数の面に設けられてもよい。

圧力変動としてはのこぎり波が好ましいが、安定に気泡が生成できれば、その他の波形でもよい。

図５は、高電圧パルス発生回路の変形例を示す回路図である。高電圧パルス発生回路３０ａは、昇圧チョッパ回路で構成され、具体的には、トランスＴ１、スイッチング素子Ｍ１、整流ダイオードＤ１を備える。この構成では、複数のアノード電極３２とカソード電極３４の間には、静電容量が形成されている。

スイッチング素子Ｍ１がスイッチングすると、トランスＴ１の１次巻き線に、振幅Ｖ_ＩＮのパルス電圧が印加される。そして、トランスＴ１の２次巻き線には、１次巻き線の電圧に、トランスの巻き線比を乗じたパルス上の高電圧Ｖ_ＨＩＧＨが発生する。高電圧Ｖ_ＨＩＧＨがアノード電極３２と気泡界面間のブレークダウンのしきい値電圧を超えると、プラズマが発生する。

図５の高電圧パルス発生回路３０ａによっても、スイッチング素子Ｍ１の制御によって放電のタイミングを制御でき、気泡の成長と同期して間欠的にプラズマを発生させることができる。

処理漕１０は、液体２の流路上の一部として構成されてもよい。この場合、上流の開口部１２と下流の開口部１２とで、開口の大きさを異ならしめたてもよい。これにより下流と上流それぞれで処理効率を最適化できる。

実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１…液体処理装置、２…液体、１０…処理漕、１２…開口部、２０…気泡発生部、２２…スピーカ、２４…コーン、２６…スピーカ駆動回路、２８…マスフローコントローラ、２９…逆止弁、３０…高電圧パルス発生回路、３２…アノード電極、３４…カソード電極、３６…リアクタンス素子、４０…昇圧回路、ＳＷ１…放電スイッチ。

Claims (5)

1. 処理対象の液体を収容し、複数の開口部が設けられた処理漕と、
   前記複数の開口部を介して、気体を前記処理漕の内側に送り込む気泡発生部であって、前記気体の流量を一定に制御するともに、前記気体に周期的な圧力変動を発生させる気泡発生部と、
   それぞれが前記開口部ごとに設けられ、前記処理漕の外側に、対応する開口部とオーバーラップする位置に設けられた複数のアノード電極と、
   前記処理漕の内側に設けられたカソード電極と、
   それぞれが前記アノード電極ごとに設けられ、それぞれの第１端子が共通に接続され、それぞれの第２端子が対応するアノード電極に接続された複数のリアクタンス素子と、
   前記複数のリアクタンス素子の共通に接続された第１端子に、前記圧力変動と同期した高電圧を発生させる高電圧パルス発生回路と、
   を備えることを特徴とする液体処理装置。
2. 前記複数のアノード電極は、メッシュ状に形成されることを特徴とする請求項１に記載の液体処理装置。
3. 前記圧力変動は、ある時刻に急激に増大し、続いて時間とともに低下し、再び増大するのこぎり波形を有することを特徴とする請求項１または２に記載の液体処理装置。
4. 前記気泡発生部は、
   スピーカと、
   前記スピーカを収容する筐体と、
   前記筐体内に一定の流量の気体を送り込むマスフローコントローラと、
   前記スピーカを駆動する駆動回路と、
   を備え、前記スピーカのコーンの表面から押し出される気体が、前記処理漕の前記複数の開口部に供給されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の液体処理装置。
5. 前記アノード電極および前記カソード電極の少なくとも一方は、誘電体で被覆もしくはコーティングされた金属であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の液体処理装置。

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