JP2017189413A - 活性酸素種生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な操作により、電極間距離の結果としての活性酸素種の生成量を調節可能とすること。【解決手段】針電極１１及び平板電極２１は対向させて配置される。壁部２０には平板電極２１が設置される。針電極１１と平板電極２１の間に高電圧を印加する。針電極１１と平板電極２１の間に活性酸素種３が生じるので、側部から送風する。格納部４は、送り込まれた活性酸素種３が到達する位置に設けられ、分解対象を格納する。貫通部材５１は、壁部２０を貫いて平板電極２１に接触する。収容部材５３は、壁部２０を挟んで平板電極２１の反対側に配置され、貫通部材５１を収容する。調整部材５４は、収容部材５３の内部に進入することで貫通部材５１を平板電極２１に押し込むとともに、収容部材５３内での位置を固定可能とする。【選択図】図４

Description

この発明は、有機物などの分解に用いるために活性酸素種を生成する活性酸素種生成装置に関する。

ごみなどの有機物の分解には、長年の間、バクテリアを用いた分解処理が用いられてきたが、有機物は水分含有率が高いことから非常に重く、一方でごみ処理に際にメタンガスを発生することから腐敗臭が生じ、廃棄物の処理場所が非常に限られてくるという問題が生じていた。

一方で有機物の分解方法として、活性酸素種を用いる方法が挙げられる。また、活性酸素種の生成には電極を用いる方法がある。その中でも特に、特許文献１に挙げられるようにコロナ放電と呼ばれる、針電極と平板電極の間に直流の高電圧を加えることで、大気中で放電させる方法がある。

特開２０１３−１１７４１８号公報

コロナ放電の際の針電極と平板電極の間の距離は、５ｍｍ程度と非常に短い距離に設定され、生じる活性酸素種の量も電極間距離に応じて変化する。また加える高電圧の大きさによっても左右され、電圧の大きさ次第では電極間距離が長い方が生じる活性酸素種の量が多くなる場合も観測される。

いずれにしても電極間距離が１ｍｍ違うと実験結果は非常に大きな誤差となり、電極間距離の最適値を求めたい場合には、それよりもさらに微量な単位での調整が必要とされる。またこのような微量の差異が性能の差異につながることから、装置ごとに性能の差異が生じる可能性が高く、装置ごとの調整が必要となる。しかしながら、通常は製品出荷時に装置内の構成は固定した状態で出荷するものであり、再調整したい場合には、装置をいったん分解しなければならないという手間が生じていた。

本発明は、簡易な操作により、電極間距離の結果としての活性酸素種の生成量を調節可能とすることを目的とする。

本発明に係る活性酸素種生成装置は、対向させて配置された複数の針電極及び平板電極と、前記平板電極が配置される外壁と、前記針電極と前記平板電極の間に高電圧を印加する印加手段と、前記印加手段によって生じるコロナ放電により、前記針電極と前記平板電極の間に生じた活性酸素種を、側部から送風する送風手段と、前記送風手段によって送り込まれた前記活性酸素種が到達する位置に設けられ、分解対象となる貯蔵物を格納する格納部を備え、前記外壁を貫いて、前記平板電極に接触する貫通部材と、前記外壁に対して前記平板電極の反対側に配置され、前記貫通部材を収容する収容部材と、前記収容部材内で前記貫通部材と一体となる位置に配置され、前記貫通部材を前記平板電極から戻す方向に弾性力を生じさせる弾性部材と、前記収容部材の外側から内部に挿入され、前記貫通部材を前記平板電極に押し込める調整部材と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、調整部材の収容部材内部での進入量を微調整することができるので、貫通部材の貫通する深さを微調整することができる。したがって、平板電極を押し上げる高さを微調整することができるので、平板電極の針電極に対する距離のわずかな変化によってもたらされる活性酸素種の生成量の変化を制御することができ、調節制御の結果として、最適な活性酸素種の生成を実現することが可能となる。

本実施の形態にかかる活性酸素種生成装置の構成を説明する図である。 印加電圧とギャップ長ｄの関係を示すグラフである。 風量と活性酸素種の生成量の関係を示すグラフである。 調整部材の配置と位置の調節動作について説明する図である。

図１は、本実施の形態にかかる活性酸素種生成装置の構成を説明する図である。活性酸素種生成装置１は、格納部２と連結され、活性酸素種生成装置１で活性酸素種３を生成して格納部２に送り込む。格納部２は、分解対象となる物質を格納する格納領域であり、たとえばごみなどの有機物を格納することにより、送り込まれた活性酸素種３によって分解処理を進める。

なお、活性酸素種３とは、スーパーオキシド（Ｏ_２・−）、ヒドロキシラジカル（・ＯＨ）、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）、一重化酸素（^１Ｏ_２）、オゾン（Ｏ_３）など、分子上酸素である三重項酸素（^３Ｏ_２）より活性化された酸素、及び関連分子を総称する用語である。本実施の形態では、オゾン及びヒドロキシラジカルを生成する場合を中心として説明する。

活性酸素種生成装置１は、上面１０と下面２０を有する。活性酸素種生成装置１自体は円筒状でも直方体上でもよく、活性酸素種３を内部で生成して送り込むことができるような内部形態を備える。内部で対向配置を備える都合上、内面の対向する各面のうち一方を上面１０、他方を下面２０として説明する。上面１０及び下面２０は、それぞれ活性酸素種生成装置１の壁部を形成する。

上面１０の内壁には、針電極１１が備えられる。針電極１１には、上面１０の外側から高電圧発生装置１２が電気的に接続され、針電極１１に高電圧が印加される。印加電圧は負の電圧が与えられ、マイナス数ｋＶの電圧が加えられる。本実施の形態では、高電圧発生装置１２によって加えられる高電圧はコロナ放電のために用いるので、電源は直流電流を想定して説明するが、交流であったり、高周波であってもよい。針電極１１を構成する針は１本でもよいが、図示するように４本でもよく、活性酸素種３を生成する上で最適化される本数を適宜採用することができる。

一方で下面２０の内壁には、平板電極２１が備えられる。平板電極２１は、針電極１１と対向する位置に配置される。平板電極２１は、針電極１１の向きを法線方向とする面を形成する平板からなる電極である。具体的な位置関係として、針電極１１の先端部から平板電極２１までの距離をギャップ長ｄとして、ｄは数ｍｍとして設定される。平板電極２１は下面２０の外側から、抵抗（たとえば１ＭΩ）とコンデンサ（たとえば１００ｐＦ）を並列につないだ回路２２を挟んで接地される。

以上のように構成することにより、針電極１１と平板電極２１が向い合わせて配置され、高電圧を加えることができる。高電圧を加えることにより、コロナ放電が発生し、負イオン（ヒドロキシラジカル）及びオゾンを含む活性酸素種３が生成される。すなわち、針電極１１のような針あるいは尖った電極と、平板電極２１のような平板や円筒などの滑らかな電極との間に高電圧を印加すると、針電極１１の近傍が高電界となり、電界電離作用により大気中の中性分子（窒素分子等）が電離し、正イオンと自由電子が生成される。

この自由電子が酸素分子等と反応し、負イオンを生成する。例えば、酸素と自由電子の反応は、ｅ⁻が４．５ｅＶよりも大きい場合は、Ｏ_２＋ｅ⁻→Ｏ⁻＋Ｏ^＊となり、解離性電子捕獲反応を示す。ｅ⁻がほぼ０ｅＶに等しい場合は、Ｏ_２＋ｅ⁻＋Ｐ→Ｏ_２ ⁻＋Ｐとなり、非解離性電子捕獲反応を示す。反応する自由電子のエネルギーにより、どちらの反応となるかが決まる。Ｏ⁻は酸素原子負イオン、Ｏ^＊は酸素原子ラジカル、Ｏ_２ ⁻は酸素分子負イオン（スーパーオキサイドアニオン）である。ここでＰは、電子捕獲により生じる内部エネルギーを奪うための原子又は分子である。Ｐとなりうる物質には、Ｏ_２、Ｎ_２がある。

生成されたＯ⁻は水分子と反応し、ＯＨ＊（ヒドロキシラジカル）を生成する。具体的には、Ｈ_２Ｏ＋Ｏ⁻→ＯＨ⁻＋ＯＨ^＊となる。これらの活性酸素種３が持つ非常に強い酸化力により、有機物を呼応率良く分解することができる。

活性酸素種生成装置１にはさらに送風部４０が設けられている。送風部４０は、たとえば扇風機のようなファン構造により回転することにより活性酸素種生成装置１内部を送風し、針電極１１と平板電極２１が向い合った位置にある活性酸素種３を、側部から送風することにより格納部２に送り込む。

平板電極２１は下面２０の外側には、さらに電極調節部５０が設けられる。電極調節部の突起により平板電極２１の位置を微調整するために設けられるものであるが、詳細は図４を参照して説明する。

図２は、印加電圧とギャップ長ｄの関係を示すグラフである。グラフの横軸は印加電圧の大きさを示し、グラフの縦軸は活性酸素種３の生成量を示す。
オゾン及びヒドロキシラジカルの生成量について、ｄ＝５ｍｍ、またはｄ＝１０ｍｍの場合についてそれぞれ示す。丸印はヒドロキシラジカルの生成量であり、白丸がｄ＝１０ｍｍ、黒丸がｄ＝５ｍｍの場合のグラフである。三角印はオゾンの生成量であり、白三角がｄ＝１０ｍｍ、黒三角がｄ＝５ｍｍの場合のグラフである。高電圧発生装置２２から印加される印加電圧は−１２ｋＶから−２ｋＶの範囲で変化させる。

図示するように、印加電圧が大きくなるにつれて活性酸素種３の生成量は大きくなる。一方、極間距離が短いほど本来は電界強度が増加するので、活性酸素種３の生成量は大きくなる。しかしながら図示するように、ギャップ長ｄが長くなっても、オゾンの生成量は減るが、ヒドロキシラジカルの生成量は逆に増える。オゾンの生成量にしても印加電圧が小さい場合は、むしろギャップ長ｄが長い方が生成量は多いという結果が示されている。

またここではｄ＝５ｍｍ、ｄ＝１０ｍｍの場合についてしか示されておらず、それ以外の長さについては示していない。すなわち、ｄの長さを長くすれば、短くすれば最適化されるという単純な傾向が示されるとは限らないことを示す。印加電圧の大きさによって、最適となるギャップ長ｄの長さは、個別に確認することで求めていく必要があることがグラフから読み取れる。

図３は、風量と活性酸素種の生成量の関係を示すグラフである。生成した活性酸素種３は、格納部２に送り込むために送風されるが、一方で送風により電極から送り出されることにより、生成量の変化に寄与するという面も考えられる。この点に関し、図３では送風部４０により送り込まれる送風量（ｍ／ｓ）を横軸に、活性酸素種３の生成量をグラフの縦軸に示す。

全般的な傾向として、ヒドロキシラジカルの発生量は風速の１．６乗に比例する、という結果が得られた。オゾンの発生量については、風速とともにやや増加するが、その後飽和するという結果が得られた。

図４は、調整部材の配置と位置の調節動作について説明する図である。図１を参照して説明したように、下面２０に沿って平板電極２１が針電極１１の側に配置されている。たとえば、下面２０の厚さは１５ｍｍとすることができ、平板電極２１の厚さは３０ｍｍとすることができる。平板電極２１の針電極１１の側の面の形状については、正方形、長方形、円などの様々な形状とすることができる。円とした場合平板電極２１の直径を、正方形とした場合、平板電極２１の一片の長さを、たとえば６０ｍｍとすることができる。平板電極２１はマイナス極として動作し、表面をアルミ生地で覆われている。

平板電極２１に対して下面２０の反対側の面からは、貫通部材５１が下面２０を貫いている。貫通部材５１は、下面２０を貫いて平板電極２１に接触する。貫通部材５１は胴部５１Ａと頭部５１Ｂからなり、先端部分を鋭利にとがらせた低炭素軟鋼の鉄を材質とするピンが例として挙げられるが、貫通部材５１は銅を材質としてもよい。

胴部５１Ａは棒状の形状となり細長く、頭部５１Ｂは胴部５１Ａの端部に配置され、この胴部５１Ａよりも太い。貫通部材５１について、特に下面２０等の壁部を貫通するくぎを例に挙げて説明するが、ピンやくぎに限られず、頭部５１Ｂを有しない棒状の構造でもよい。また、平板電極２１に到達すればよいので、貫通部材５１のように先端が尖っていなくてもよい。

貫通部材５１の下面２０と反対側に頭部５１Ｂがあり、図４中では頭部５１Ｂを半球上に記載しているが、円形の面を有する面状あるいは円筒状の形状とすることもできる。貫通部材５１は、この頭部５１Ｂを介して貫通部材５１の先端部を押し込めるように力を加えやすい形状となっている。

貫通部材５１に対して下面２０に押し付ける方向の力を加えることにより、貫通部材５１は下面２０をさらに貫き、下面２０から突き出る部分の長さが長くなっていく。貫通部材５１の下面を貫いて突き出た部分が、平板電極２１の下面２０の接していた部分を突き上げることで、平板電極２１が針電極１１側に隆起する。その結果、平板電極２１と針電極１１の間の距離ｄが若干短くなる。

貫通部材５１の胴部５１Ａには、金属ばね５２が取り囲んでいる。貫通部材５１の胴部５１Ａを取り囲んだ金属ばね５２は、下面２０と貫通部材５１の頭部５１Ｂに挟まれることで、縮められている。したがって、貫通部材５１の頭部５１Ｂに力が加わるときには貫通部材５１は下面２０に食い込んでいくが、頭部５１Ｂへの力が除かれると、金属ばね５２の復元力により、貫通部材５１は下面２０から離れていく。

このように金属ばね５２は、下面２０に対して離れる方向の弾性力を貫通部材５１に与える弾性部材を構成する。この弾性部材は、収容部材５３内で貫通部材５１の頭部５１Ｂと下面２０に挟まれた位置に、貫通部材５１の胴部５１Ａをらせん状に取り囲んで配置され、貫通部材５１の頭部５１Ｂに弾性力を与える。弾性部材については金属ばね５２を一例として説明するが、弾性部材は金属ばね５２に限られず、例えばゴムのような伸縮性の高い部材によって貫通部材を下面２０から押し戻すような構造を採用してもよい。

以上の貫通部材５１及び金属ばね５２は、収容部材５３に収容されている。収容部材５３は、下面２０を挟んで平板電極２１の反対側に配置され、貫通部材５１を収容する。収容部材５３は中空の円筒形上であり、この中空部分に貫通部材５１及び金属ばね５２が収められている。収容部材５３の一端は下面２０に面しており、貫通部材５１の進行方向を誘導するように構成されている。収容部材５３は基板用のスペーサーからなり、ナイロンやセラミックによって構成される。

収容部材５３の他端、すなわち下面２０の反対側からは、樹脂ねじ５４が挿入される。樹脂ねじ５４は、貫通部材５１と同様に頭部と胴部を有しているが、樹脂ねじ５４の胴部の頭部の反対側は、平坦な面となっており尖らせてはいない。樹脂ねじ５４は、スクリュー状に回転しながら収容部材５３の中に納まっていくように、胴部に溝が形成されている。収容部材５３にも、樹脂ねじ５４を受けるように事前に溝を形成する。

樹脂ねじ５４を回転しながら収容部材５３の中に締める方向に押し込めていくことにより、樹脂ねじ５４の胴部は貫通部材５１の頭部５１Ｂに到達し、貫通部材５１の頭部５１Ｂを下面２０の側に押し込める。すなわち樹脂ねじ５４は、収容部材５３の内部に進入することで貫通部材５１を平板電極２１に押し込む調整部材を構成する。また、樹脂ねじ５４には溝が構成されていることから、回転することで押し込めることができるだけでなく、金属ばね５２による弾性力による復元力にも関わらず、収容部材５３内での押し込めた位置で固定可能となる。

調整部材の一例として樹脂ねじ５４を例として説明するが、樹脂ねじ５４に限られず、回転を伴わないで押し込める部材を用いてもよい。例えば調整部材として側部に溝のある構造を採用し、収容部材５３の側部にも溝を形成させることで、押し込めるときは、溝と溝の間の山を力で乗り越えるように押し込める一方で、復元力に対しては溝の力で妨げられるような構成とすることもできる。

逆に樹脂ねじ５４を反対方向に回転させた場合、緩める方向に回転することとなり、樹脂ねじ５４は収容部材５３から外に出ていく方向に動く。これにより、樹脂ねじ５４から貫通部材５１に加わる力は弱められ、金属ばね５２の復元力により、貫通部材５１も下面２０の反対方向に動く。すなわち、樹脂ねじ５４は、回転により収容部材５３内での締め及び緩みを調節することで、収容部材５３内での進入方向の位置を調節する。

以上のように構成することにより、樹脂ねじ５４は回転により収容部材５３内部に非常に微量な単位で進入していくことができ、わずかな単位での押し込める量の調整をすることができる。わずかな単位で調整しながら押し込められた樹脂ねじ５４は、貫通部材５１を押し込めるので、貫通部材５１に対する押し込む深さについても、わずかな単位で調整することができる。

このように貫通部材５１がわずかな単位で調整で調整されて平板電極２１に到達するので、平板電極２１に加える力の大きさを微量な単位で調整することができ、平板電極２１の針電極１１に対する距離を非常に微量な単位で調整することができる。つまり、コロナ放電における距離ｄの微調整を実現することができるので、距離ｄのわずかな変化によってもたらされる活性酸素種の生成量の変化を制御することができ、調節制御の結果として、最適な、すなわち最大量の活性酸素種の生成を実現することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載されたその均等の範囲に含まれる。

活性酸素種生成装置１、格納部２、活性酸素種３、上面１０、針電極１１、高電圧発生装置１２、下面２０、平板電極２１、送風部４０、電極調節部５０、貫通部材５１、胴部５１Ａ、頭部５１Ｂ、金属ばね５２、収容部材５３、樹脂ねじ５４

Claims (4)

1. 対向させて配置された針電極及び平板電極と、
   前記平板電極が設置される壁部と、
   前記針電極と前記平板電極の間に高電圧を印加する印加手段と、
   前記印加手段によって生じる高電圧により前記針電極と前記平板電極の間に生じる活性酸素種を、側部から送風する送風手段と、
   前記送風手段によって送り込まれた前記活性酸素種が到達する位置に設けられ、分解対象を格納する格納部を備え、
   前記壁部を貫いて前記平板電極に接触する貫通部材と、
   前記壁部を挟んで前記平板電極の反対側に配置され、前記貫通部材を収容する収容部材と、
   前記収容部材の内部に進入することで前記貫通部材を前記平板電極に押し込むとともに、前記収容部材内での位置を固定可能な調整部材と、
   を備えることを特徴とする活性酸素種生成装置。
2. 前記壁部に対して離れる方向の弾性力を前記貫通部材に与える弾性部材をさらに備え、
   前記調整部材は、前記弾性力に関わらず、前記収容部材内での位置を固定可能である、
   請求項１に記載の活性酸素種生成装置。
3. 前記貫通部材は、細長い胴部と前記胴部の端部に配置された前記胴部よりも太い頭部を有し、
   前記弾性部材は、前記収容部材内で前記貫通部材の頭部と前記壁部に挟まれた位置に、前記貫通部材の胴部をらせん状に取り囲んで配置され、前記貫通部材の前記頭部に弾性力を与える、
   請求項２に記載の活性酸素種生成装置。
4. 前記調整部材はねじであり、前記ねじの回転により前記収容部材内での締め及び緩みを調節することで、前記収容部材内での進入方向の位置を調節する、
   請求項１〜３のいずれかに記載の活性酸素種生成装置。