JP2018001042A - 液中パルス放電を利用した処理装置およびその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構造・方法でパルス状の高圧液体を吐出して処理に供することができる処理装置およびその方法を提供することを目的とする。【解決手段】液体にパルス電圧を印加することで液中パルス放電による当該液体を吐出する。具体的には、液体にパルス電圧を印加することにより液中でパルス放電を行う。これにより液中に微小なガス空間が発生し、気中放電による、さらなる空間の拡大により短時間で高圧の圧力空間を発生することができる。したがって、当該圧力空間が成長することにより液体に高圧界面（衝撃波）が発生し、当該圧力空間が拡大伝搬することによりパルス状の高圧液体を発生することができる。その結果、パルス状の高圧液体の発生により簡易な方法でパルス状の高圧液体を吐出して処理に供することができる。【選択図】図５

Description

本発明は、液中パルス放電を利用した処理装置およびその方法に関する。

一般的に、液体を吐出する液体吐出装置は、機械的に液体を圧縮して発生させるポンプ機構を備えている（例えば、特許文献１〜３参照）。液体としては、例えば水などの水性系や、軽油（ディーゼル燃料）などの油性系などが用いられる。具体的には、高圧水やディーゼル燃料の高圧の発生には、機械式ポンプにより液体をモータやエンジン動力によって圧縮輸送する。これにより高圧液体を発生し蓄圧タンクに貯蔵し、高圧バルブにより必要な時に高圧液を吐出（噴射）し使用している。

特開２００１−００３８３８号公報 特表２０１１−５０２２３０号公報 特表２００７−５３０８６５号公報

しかしながら、このような構成を有する従来例の場合には、次のような問題がある。
すなわち、従来の装置では、外部動力により機械的に液体を圧縮して発生させるためのポンプの構造が複雑であるという問題がある。したがって、複数の重要部品が必要となり、瞬時起動・サイズ・価格や寿命の面で課題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、簡易な構造・方法でパルス状の高圧液体を吐出して処理に供することができる液中パルス放電を利用した処理装置およびその方法を提供することを目的とする。

本発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、本発明に係る液中パルス放電を利用した処理装置は、液体を収納するチャンバーと、当該チャンバー内に設置された放電電極とを備え、当該放電電極にパルス電圧を印加することで液中パルス放電によるパルス状の当該液体を吐出するポンプ機構を構成するものである。

［作用・効果］本発明に係る処理装置によれば、液体を収納するチャンバーと、当該チャンバー内に設置された放電電極とを備える。そして、当該放電電極にパルス電圧を印加することで液中パルス放電によるパルス状の当該液体を吐出するポンプ機構を構成する。すなわち、放電電極にパルス電圧を印加することにより液中でパルス放電を行う。これにより狭小な放電電極間に微小なガス空間が発生し、気中放電による、さらなる空間の拡大により短時間で高圧の圧力空間を発生することができる。したがって、当該圧力空間が成長することにより液体に高圧界面（衝撃波）が発生し、当該圧力空間が拡大伝搬することによりパルス状の高圧液体を発生することができる。その結果、従来の機械式ポンプを用いずに、パルス状の高圧液体の発生により簡易な構造でパルス状の高圧液体を吐出して処理に供することができる。本明細書中での「高圧液体」とは、液中放電前よりも高圧に圧縮された液体のことを指す。

本発明に係る処理装置において、パルス電圧を繰り返し発生する電源部を備えることで、放電のエネルギーや繰り返し周波数の変調により高精度の圧力制御や周波数制御を行うことができる。このように、高頻度のパルス電圧の繰り返しにも対応することができ、短時間で高頻度の繰り返しで圧力制御されたパルス状の高圧液体を発生することができる。

また、本発明に係る液中パルス放電を利用した処理方法は、液体にパルス電圧を印加することで液中パルス放電によるパルス状の当該液体を吐出することを特徴とするものである。

［作用・効果］本発明に係る処理方法によれば、液体にパルス電圧を印加することで液中パルス放電によるパルス状の当該液体を吐出する。具体的には、液体にパルス電圧を印加することにより液中でパルス放電を行う。これにより液中に微小なガス空間が発生し、気中放電による、さらなる空間の拡大により短時間で高圧の圧力空間を発生することができる。したがって、当該圧力空間が成長することにより液体に高圧界面（衝撃波）が発生し、当該圧力空間が拡大伝搬することによりパルス状の高圧液体を発生することができる。その結果、パルス状の高圧液体の発生により簡易な方法でパルス状の高圧液体を吐出して処理に供することができる。

本発明に係る処理方法において、パルス電圧を繰り返し発生することで液体を繰り返し吐出することで、本発明に係る処理装置の好適な例でも述べたように、放電のエネルギーや繰り返し周波数の変調により高精度の圧力制御や周波数制御を行うことができる。このように、高頻度のパルス電圧の繰り返しにも対応することができ、短時間で高頻度の繰り返しで圧力制御されたパルス状の高圧液体を発生することができる。

また、本発明に係る処理方法において、上述した液中パルス放電によるパルス状の高圧界面が液中を伝搬することにより液体が接触した被洗浄物を直接的に洗浄する、あるいは上述した液中パルス放電による当該液体を吐出して、吐出された液体の衝撃波によって洗浄を行うことを特徴とするものである。

［作用・効果］本発明に係る処理方法によれば、液中パルス放電によって液体に高圧界面（衝撃波）が発生した結果、衝撃波が付与された状態で高圧界面（衝撃波）が液中を伝搬することにより液体が接触した被洗浄物を直接的に洗浄する（前者の洗浄）、あるいは衝撃波が付与された状態でパルス状の高圧液体を吐出して、吐出された液体の衝撃波によって洗浄を行う（後者の洗浄）ことができる。このように、高圧界面（衝撃波）が液中を伝搬することにより液体が接触した被洗浄物を直接的に洗浄する（前者の洗浄）、あるいはパルス状の液体を吐出して、吐出された液体の衝撃波によって洗浄を行う（後者の洗浄）何れの方法においても、洗浄効果を高めることができる。よって、前者の洗浄の場合には、高圧界面（衝撃波）による液中伝搬の利用に供することができる。

本発明に係る処理装置によれば、液体を収納するチャンバーと、当該チャンバー内に設置された放電電極とを備える。そして、当該放電電極にパルス電圧を印加することで液中パルス放電によるパルス状の当該液体を吐出するポンプ機構を構成する。すなわち、放電電極にパルス電圧を印加することにより液中でパルス放電を行い、パルス状の高圧液体を発生することができる。その結果、従来の機械式ポンプを用いずに、パルス状の高圧液体の発生により簡易な構造で液体を吐出して処理に供することができる。
また、本発明に係る処理方法によれば、液体にパルス電圧を印加することで液中パルス放電によるパルス状の当該液体を吐出する。具体的には、液体にパルス電圧を印加することにより液中でパルス放電を行い、パルス状の高圧液体を発生することができる。その結果、パルス状の高圧液体の発生により簡易な方法で液体を吐出して処理に供することができる。

実施例に係る液体吐出装置を用いた処理装置の概略図およびブロック図である。 図１の半導体スイッチ（放電部）の具体的な概略図である。 キャパシタンス＋・グランド間の液中放電における電流電圧の測定データである。 ポンプ＋・グランド間の液中放電における電流電圧の測定データである。 実施例に係る処理方法の一連の流れを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図１は、実施例に係る液体吐出装置を用いた処理装置の概略図およびブロック図であり、図２は、図１の半導体スイッチ（放電部）の具体的な概略図であり、図３は、キャパシタンス＋・グランド間の液中放電における電流電圧の測定データであり、図４は、ポンプ＋・グランド間の液中放電における電流電圧の測定データである。

本実施例では、液体吐出装置は、図１に示すようにチャンバー１と放電電極２と高圧充放電電源部３とを備えている。チャンバー１は、吐出の対象となる液体を収納するように構成されている。放電電極２はチャンバー１内に設置されており、２つの電極２１で形成されている。高圧充放電電源部３は、充放電を繰り返すことによりパルス電圧を繰り返し発生するように構成されている。チャンバー１は、本発明におけるチャンバーに相当し、放電電極２は、本発明における放電電極に相当し、高圧充放電電源部３は、本発明における電源部に相当する。

チャンバー１は絶縁シリンダで構成されている。チャンバー１には、噴射バルブ１１が設けられており、液体を吐出する吐出パイプ（図示省略）が当該噴射バルブ１１に接続されている。図１では、噴射バルブ１１をチャンバー１の上部に設けているが、噴射バルブの設置位置については特に限定されず、例えばチャンバー１の側面に噴射バルブを設けてもよい。また、吐出の対象となる液体については、上述したような水などの水性系や、軽油などの油性系などに例示されるように特に限定されない。また、（純水も含んだ）洗浄液に適用することができ、洗浄に適用することができる。

放電電極２の２つの電極２１は、高圧充放電電源部３にそれぞれ電気的に接続されており、高圧充放電電源部３から放電電極２にパルス電圧を印加する。放電電極２の２つの電極２１間には隙間が設けられており、放電電極２にパルス電圧を印加することで、この隙間から放電を行う。

高圧充放電電源部３は、充電用電源３１とキャパシタンス３２と半導体スイッチ３３とを備えている。半導体スイッチ３３がオフのときには高圧充放電電源部３からキャパシタンス３２に充電を行い、半導体スイッチ３３がオンのときにはキャパシタンス３２から放電電極２に放電を行う。つまり、半導体スイッチ３３は放電部の機能を有している。

本実施例の半導体スイッチ３３の具体的な構成については、図２で述べる。なお、図２では、周辺のキャパシタンス３２や放電電極２も併せて図示している。本実施例の半導体スイッチ３３は、６段に直列接続されたスイッチで構成され、この６段に直列接続されたスイッチが、３段に並列接続されて構成されている。個々のスイッチは、高速トランジスタであるFET(Field Effect Transistor)などに代表される半導体スイッチで構成されている。

［液中放電における電流電圧の測定データ］
図２に示す半導体スイッチ３３を用いた時の液中放電における電流電圧の測定データを、図３および図４にそれぞれ示す。図３は、図２の（ａ）の（キャパシタンス＋・グランド間の）電圧測定ポイントとし、図４は、図２の（ｂ）の（ポンプ＋・グランド間の）電圧測定ポイントとしている。また、図３および図４は、図２の矢印に示す箇所を電流測定ポイントとしている。なお、液体として水（市水）を使用している。

また、図３（ａ）は時間の横軸を１マスで２μｓ（２μｓ／ｄｉｖ）としており、図３（ｂ）は時間の横軸を１マスで１μｓ（１μｓ／ｄｉｖ）として、時間軸をスケールアップしている。同様に、図４（ａ）は時間の横軸を１マスで２μｓ（２μｓ／ｄｉｖ）としており、図４（ｂ）は時間の横軸を１マスで１μｓ（１μｓ／ｄｉｖ）として、時間軸をスケールアップしている。電圧については、1000対1の高圧プローブ（100MΩ）で測定し、電流については、ピアソン社のACカレントプローブ（1A/0.1mV）で測定した。印加電圧が１５ｋＶのときに発生したパルス高圧液の圧力は、２１２．５ＭＰａになる。

図３（ａ）および図４（ａ）にそれぞれ示すように、約１０μｓで電圧・電流ともにグランドレベル（図中では「ＧＮＤ」で表記）に収束する。より詳細には、図３（ｂ）および図４（ｂ）にそれぞれ示すように、約９μｓで電圧・電流ともにグランドレベルに収束する。

次に、本実施例に係る吐出された液体を処理する処理方法について、図５のフローチャートを参照して説明する。図５は、実施例に係る処理方法の一連の流れを示すフローチャートである。なお、本実施例では、最大繰り返し周波数が１０Ｈｚで、ＰＷＭ(Pulse Width Modulation)定電圧制御の制御方式を例に採って説明する。なお、ここでは繰り返し周波数が１０Ｈｚの場合について説明しているが、繰り返し周波数の具体的な値については１０Ｈｚに限定されず、例えば１０Ｈｚ未満（例えば１Ｈｚ）であってもよいし、１０Ｈｚを超えてもよい。

（ステップＳ１）パルス電圧の印加
半導体スイッチ３３（図１および図２を参照）をオンにしてキャパシタンス３２（図１および図２を参照）から放電電極２（図１および図２を参照）に放電を行い、繰り返し周波数が１０Ｈｚのときの周期０．１ｓ内の所定時間（例えば１０μｓ）が経過したら半導体スイッチ３３をオフにすることで、放電電極２にパルス電圧を印加する。

（ステップＳ２）液中パルス放電
放電電極２の２つの電極２１（図１を参照）にパルス電圧を印加することで、２つの電極２１間の隙間から放電を行う。これによって、チャンバー１（図１を参照）内に収納された液体において、液中パルス放電を行う。

（ステップＳ３）パルス状の高圧液体の発生
液中パルス放電によって２つの電極２１間に微小なガス空間が発生し、気中放電による、さらなる空間の拡大により高圧の圧力空間を発生する。当該圧力空間が成長することにより液体に高圧界面（衝撃波）が発生し、当該圧力空間が拡大伝搬することによりパルス状の高圧液体を発生する。

（ステップＳ４）液体の吐出
パルス状の高圧液体の発生によって、噴射バルブ１１（図１を参照）を通してパルス状の高圧液体を吐出する。

（ステップＳ５）０．１ｓ経過
ステップＳ１から周期０．１ｓ経過したか否かを、例えば中央演算処理装置（ＣＰＵ）が判断して、周期０．１ｓ経過していなければステップＳ５をループ待機する。周期０．１ｓ経過していれば、ステップＳ１に戻ってステップＳ１〜Ｓ５を繰り返し行う。

繰り返し周波数が１０Ｈｚ毎にステップＳ１〜Ｓ５を繰り返し行うことで、パルス電圧を繰り返し発生して、パルス状の液体を繰り返し吐出する。

本実施例に係る液体吐出装置を用いた処理装置によれば、液体を収納するチャンバー１と、当該チャンバー１内に設置された放電電極２とを備えている。そして、当該放電電極２にパルス電圧を印加することで液中パルス放電によるパルス状の当該液体を吐出するポンプ機構を構成する。すなわち、放電電極２にパルス電圧を印加することにより液中でパルス放電を行う。これにより狭小な放電電極２（図１では２つの電極２１）間に微小なガス空間が発生し、気中放電による、さらなる空間の拡大により短時間で高圧の圧力空間を発生することができる。したがって、当該圧力空間が成長することにより液体に高圧界面（衝撃波）が発生し、当該圧力空間が拡大伝搬することによりパルス状の高圧液体を発生することができる。その結果、従来の機械式ポンプを用いずに、パルス状の高圧液体の発生により簡易な構造でパルス状の高圧液体を吐出して処理に供することができる。「課題を解決するための手段」の欄でも述べたように、本明細書中での「高圧液体」とは、液中放電前よりも高圧に圧縮された液体のことを指す。

本実施例では、パルス電圧を繰り返し発生する電源部（本実施例では高圧充放電電源部３）を備えることで、放電のエネルギーや繰り返し周波数の変調により高精度の圧力制御や周波数制御を行うことができる。このように、高頻度のパルス電圧の繰り返しにも対応することができ、短時間で高頻度の繰り返しで圧力制御されたパルス状の高圧液体を発生することができる。

さらに下記のような効果をも奏する。すなわち、本実施例のＰＷＭ定電圧制御のように電気的にパルス制御することができるので、例えば高圧燃料が必要な自動車の燃料ポンプおよびインジェクターを兼ね備えた機構を本発明のポンプ機構で兼用することができる。つまり、機械式のポンプや蓄圧タンク（コモンレール）のような機能の必要性がないことを意味する。

さらに、軽油などの油性系の液体を用いる場合には、下記のような効果をも奏する。すなわち、本実施例のような高頻度（繰り返し周波数が１Ｈｚ〜１０Ｈｚ程度）の繰り返しにも対応することができるので、ディーゼル燃料ポンプと同様な機能を本発明のポンプ機構で代替することができる。また、エンジン動力を使わずに高圧液パルスを発生させることができるので、装置の小型化や廉価に寄与する。さらに、本実施例では極めて短い時間（繰り返し周波数が１０Ｈｚの場合には１０μｓ／ｐｕｌｓｅ程度）でパルス電圧を印加するので、低温で液中パルス放電が行われる。したがって、油性系の液体を用いた燃料液中での放電は、無酸素放電および低温パルス発生により安全性に優れている。

本実施例に係る処理方法によれば、液体にパルス電圧を印加することで液中パルス放電によるパルス状の当該液体を吐出する。具体的には、液体にパルス電圧を印加することにより液中でパルス放電を行う。これにより液中に微小なガス空間が発生し、気中放電による、さらなる空間の拡大により短時間で高圧の圧力空間を発生することができる。したがって、当該圧力空間が成長することにより液体に高圧界面（衝撃波）が発生し、当該圧力空間が拡大伝搬することによりパルス状の高圧液体を発生することができる。その結果、パルス状の高圧液体の発生により簡易な方法でパルス状の高圧液体を吐出して処理に供することができる。

本実施例では、図５のフローチャートに示すようにパルス電圧を繰り返し発生することで液体を繰り返し吐出することで、本実施例の処理装置でも述べたように、放電のエネルギーや繰り返し周波数の変調により高精度の圧力制御や周波数制御を行うことができる。このように、高頻度のパルス電圧の繰り返しにも対応することができ、短時間で高頻度の繰り返しで圧力制御されたパルス状の高圧液体を発生することができる。

上述した液中パルス放電によるパルス状の高圧界面が液中を伝搬することにより液体が接触した被洗浄物を直接的に洗浄してもよい（前者の洗浄）。あるいは上述した液中パルス放電による当該液体を吐出して、吐出された液体の衝撃波によって洗浄を行ってもよい（後者の洗浄）。すなわち、液中パルス放電によって液体に高圧界面（衝撃波）が発生した結果、前者の洗浄の場合、衝撃波が付与された状態で高圧界面（衝撃波）が液中を伝搬することにより液体が接触した被洗浄物を直接的に洗浄することができる。後者の洗浄の場合、衝撃波が付与された状態でパルス状の高圧液体を吐出して、吐出された液体の衝撃波によって洗浄を行うことができる。このように、高圧界面（衝撃波）が液中を伝搬することにより液体が接触した被洗浄物を直接的に洗浄する（前者の洗浄）、あるいはパルス状の液体を吐出して、吐出された液体の衝撃波によって洗浄を行う（後者の洗浄）何れの方法においても、洗浄効果を高めることができる。よって、前者の洗浄の場合には、高圧界面（衝撃波）による液中伝搬の利用に供することができる。

本発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。

（１）上述した実施例では、パルス電圧を繰り返し発生する電源部として、充放電を繰り返すことによりパルス電圧を繰り返し発生するように構成された、図１に示す高圧充放電電源部３を備えたが、充放電を繰り返すような構成に限定されない。例えば、通常の発振回路からなる電源部を用いてもよい。

（２）上述した実施例では、パルス電圧を繰り返し発生する電源部（実施例では高圧充放電電源部３）を備え、図５のフローチャートに示すようにパルス電圧を繰り返し発生することで液体を繰り返し吐出したが、必ずしも電源部（高圧充放電電源部３）を備える必要はなく、必ずしもパルス電圧を繰り返し発生することで液体を繰り返し吐出する必要はない。例えば微少量の液体を１回吐出する場合には、パルス電圧を放電電極に１回印加するだけでよい。

１ … チャンバー
１１ … 噴射バルブ
２ … 放電電極
２１ … 電極
３ … 高圧充放電電源部
３１ … 充電用電源
３２ … キャパシタンス
３３ … 半導体スイッチ

Claims (5)

1. 液中パルス放電を利用した処理装置であって、
   液体を収納するチャンバーと、
   当該チャンバー内に設置された放電電極と
   を備え、
   当該放電電極にパルス電圧を印加することで液中パルス放電によるパルス状の当該液体を吐出するポンプ機構を構成することを特徴とする処理装置。
2. 請求項１に記載の処理装置において、
   前記パルス電圧を繰り返し発生する電源部を備えることを特徴とする処理装置。
3. 液中パルス放電を利用した処理方法であって、
   液体にパルス電圧を印加することで液中パルス放電によるパルス状の当該液体を吐出することを特徴とする処理方法。
4. 請求項３に記載の処理方法において、
   前記パルス電圧を繰り返し発生することで前記液体を繰り返し吐出することを特徴とする処理方法。
5. 請求項３または請求項４に記載の処理方法において、
   前記液中パルス放電による高圧界面が液中を伝搬することにより液体が接触した被洗浄物を直接的に洗浄する、
   あるいは前記液中パルス放電によるパルス状の当該液体を吐出して、吐出された液体の衝撃波によって洗浄を行う
   ことを特徴とする処理方法。

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