JP2018149535A - 液体処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁体の奥部への水の進入を抑制する。【解決手段】本開示の一態様に係る液体処理装置１００は、液体を保持するための容器と、液体内に少なくとも一部が配置される第１の電極３０と、液体内に少なくとも一部が配置される第２の電極３５と、第１の電極３０の側面の少なくとも一部を、空間を介して囲み、筒状の形状を有し、かつ端面に開口４２を有する絶縁体４０と、空間内に気体を供給し、かつ開口４２を介して気体を液体中に放出する気体供給装置６０と、第１の電極３０と第２の電極３５との間に電圧を印加し、かつプラズマを発生させる電源８０と、第１の電極３０の側面の一部を、空間を介して囲む金属部材５０と、を備える。金属部材５０は、第１の電極３０に電気的に接続されており、絶縁体４０の少なくとも一部は、第１の電極３０と金属部材５０との間に介在している。【選択図】図１

Description

本開示は、液体処理装置に関する。

水中に生成した気泡内でプラズマを発生させ、ＯＨラジカルなどの反応種を水中に送り込むことによって、菌の分解などに使用できる液体処理装置が、特許文献１に開示されている。特許文献１に記載の液体処理装置では、水中に気泡を生成するために絶縁体の開口から気流を送り込み、絶縁体の内部に配置された第１の電極と、水中に設置した第２の電極との間に高電圧を印加し、気泡内にプラズマを発生させる。

特開２０１５−３３６９４号公報

しかしながら、上記従来の液体処理装置では、第１の電極と絶縁体との間に印加される電界により、絶縁体の内面にマクスウェル応力が誘起され、水が進入することがある。絶縁体への水の進入が絶縁体の奥部まで進行すると、当該奥部で水と第１の電極の局所的な放電が発生する。この場合、水中の気泡での放電ができなくなり、あるいは、デバイスの溶解又は焼損が発生するという問題がある。

そこで、本開示は、絶縁体の奥部への水の進入が発生しにくい液体処理装置を提供する。

本開示の一態様に係る液体処理装置は、液体を保持するための容器と、前記液体内に少なくとも一部が配置される第１の電極と、前記液体内に少なくとも一部が配置される第２の電極と、前記第１の電極の側面の少なくとも一部を、空間を介して囲み、筒状の形状を有し、かつ端面に開口を有する第１の絶縁体と、前記空間内に気体を供給し、かつ前記開口を介して前記気体を前記液体中に放出する気体供給装置と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加し、かつプラズマを発生させる電源と、前記第１の電極の前記側面の一部を、前記空間を介して囲む金属部材と、を備える。前記金属部材は、前記第１の電極に電気的に接続されており、前記第１の絶縁体の少なくとも一部は、前記第１の電極と前記金属部材との間に介在している。

本開示に係る液体処理装置によれば、絶縁体の奥部への水の進入を抑制することができる。

図１は、本開示の一実施の形態に係る液体処理装置の構成を示す図である。 図２は、一実施の形態に係る液体処理装置の主要部の構成の一例を示す断面図である。 図３は、一実施の形態に係る液体処理装置の金属部材の形状を示す斜視図である。 図４は、一実施の形態の変形例１に係る液体処理装置の主要部の構成を示す断面図である。 図５は、一実施の形態の変形例２に係る液体処理装置の主要部の構成を示す断面図である。 図６は、一実施の形態の変形例３に係る液体処理装置の主要部の構成を示す断面図である。 図７は、一実施の形態の変形例４に係る金属部材の形状を示す斜視図である。 図８は、一実施の形態の変形例５に係る金属部材の形状を示す斜視図である。 図９は、一実施の形態の変形例６に係る金属部材の形状を示す斜視図である。 図１０は、一実施の形態の変形例７に係る金属部材の形状を示す斜視図である。 図１１Ａは、比較例に係る液体処理装置の電界シミュレーション結果を示す図である。 図１１Ｂは、変形例１に係る液体処理装置の電界シミュレーション結果を示す図である。

（本開示の概要）
本開示の一態様に係る液体処理装置は、液体を保持するための容器と、前記液体内に少なくとも一部が配置される第１の電極と、前記液体内に少なくとも一部が配置される第２の電極と、前記第１の電極の側面の少なくとも一部を、空間を介して囲み、筒状の形状を有し、かつ端面に開口を有する第１の絶縁体と、前記空間内に気体を供給し、かつ前記開口を介して前記気体を前記液体中に放出する気体供給装置と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加し、かつプラズマを発生させる電源と、前記第１の電極の前記側面の一部を、前記空間を介して囲む金属部材と、を備える。前記金属部材は、前記第１の電極に電気的に接続されており、前記第１の絶縁体の少なくとも一部は、前記第１の電極と前記金属部材との間に介在している。

ここで、前記第1の電極は、第１端部、及び前記第１端部よりも前記液体に近い第２端部を有し、前記第１の電極の前記側面の前記一部は、前記第２端部から、前記第１端部と前記第２端部との間の所定位置までの前記側面を除く部分であってもよい。

また、前記金属部材は、前記電源によって前記電圧が印加された場合に、前記第１の電極と略同電位になってもよい。

これにより、金属部材で囲まれた部分において、第１の絶縁体の内部の電界強度を略０にすることができるため、電界起因のマクスウェル応力により第１の絶縁体の奥側に液体を引き込む力を抑制することができる。つまり、第１の絶縁体の奥部への液体の進入を抑制することができる。

このため、第１の絶縁体の奥部での放電により、所望の箇所での放電効率が低下することを抑制することができる。また、第１の絶縁体の奥部での放電により、絶縁体を保持する部材などが焼損することを抑制することができる。したがって、液体処理装置の性能を長期間に亘って維持することができ、安心かつ安全に貢献することができる。

また、前記第１の絶縁体が、前記第１の電極と前記金属部材との間に介在していることにより、第１の絶縁体の周囲に金属部材を配置すればよいので、簡易な構成で第１の絶縁体の奥部への液体の進入を抑制することができる。例えば、既存の絶縁体及び電極などを利用することができるので、コストを削減することができる。

なお、第１の絶縁体の内部空間では、開口から金属部材によって囲まれていない部分までは、マクスウェル応力によって液体が進入する恐れがある。具体的には、第１の絶縁体の軸方向において開口側の金属部材の端部までは、開口から液体が進入する恐れがある。

これに対して、前記第１の電極の前記空間に囲まれている部分の２つの端部のうち、前記開口から遠いほうの端部から前記所定位置までの距離は１０ｍｍ以上であってもよい。

これにより、液体が進入しうる部分に相当する金属部材５０の先端と、前記第１の電極の根元部分との距離を１０ｍｍ以上離すことができるので、５ｋＶの電圧を使用した場合、絶縁破壊が起こらないようにすることができる。

また、前記金属部材は、前記第１の絶縁体の外側面に接していてもよい。

これにより、金属部材と第１の電極との間の距離が近づき、金属部材で囲まれた第１の絶縁体の内部の電界強度をさらに弱めることができる。よって、第１の絶縁体の奥部への液体の進入をより抑制することができる。

また、液体処理装置は、さらに、前前記金属部材の少なくとも一部を被覆する第２の絶縁体を備えてもよい。

これにより、高電位の金属部材と、接地された液体とが接触することで、所望の箇所での放電が起こらなくなることを抑制することができる。また、短絡の発生を抑制することができる。

また、前記金属部材は、前記第１の絶縁体に埋め込まれていてもよい。

これにより、高電位の金属部材と、接地された液体とが接触することで、所望の箇所での放電が起こらなくなることを抑制することができる。また、短絡の発生を抑制することができる。

また、前記第１の絶縁体は、第１部分と第２部分とを含み、前記第１部分と前記第２部分との間に前記金属部材が介在し、前記金属部材と前記第１電極との間に前記第２部分が介在していてもよい。

これにより、マクスウェル応力による液体の進入を抑制することができる。さらに、第１の絶縁体の外部に、金属部材、及び、当該金属部材を保護する絶縁体などを配置する必要がなくなる。このため、省スペースな構成となって、液体処理装置を小型化することができる。

また、前記第１の絶縁体の前記第１部分及び前記第２部分は、互いに異なる材料を用いて形成されていてもよい。

これにより、場所ごとに、誘電率、絶縁耐圧、又は、加工容易性などのパラメータを変更することができ、性能を維持したまま、液体処理装置の小型化、及び、製造難易度の低下に貢献することができる。

また、前記第１の絶縁体の前記第１部分及び前記第２部分は、互いに同じ材料を用いて形成されていてもよい。

これにより、製造工数を削減することができ、コストを削減することができる。

また、前記金属部材は、筒状の形状を有していてもよい。

これにより、金属部材に囲まれた箇所からの電界の漏れがなくなり、電界を強く遮蔽することができる。

また、前記金属部材は、筒状のメッシュ形状、螺旋形状、又は、複数の金属棒体が所定の間隔で環状に並んだ形状を有していてもよい。

このとき、例えば、前記メッシュ形状の開口の幅、前記螺旋形状に含まれる螺旋の間隔、又は、前記複数の金属棒体の間隔は、前記第１の絶縁体と前記第１の電極との距離以下であってもよい。

これにより、電界の漏れが起きない程度に抑制された状態であれば、電界による液体の引き込みを抑えることができる。また、金属部材の量を減らすことができ、液体処理装置の軽量化及びコストの削減を実現することができる。

また、前記第１の電極は、円柱状の電極部を有し、前記第１の絶縁体は、前記電極部の側面の一部を囲む円筒体であり、前記電極部及び前記第１の絶縁体は、同軸上に配置されていてもよい。

円筒形状を同軸上に配置することによって、電位分布の偏りを抑制でき、第１の絶縁体の奥部への液体の進入を効果的に抑制することができる。

以下では、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。

なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的又は具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、例えば、各図において縮尺などは必ずしも一致しない。また、各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。

また、本明細書において、平行又は垂直などの要素間の関係性を示す用語、及び、円柱などの要素の形状を示す用語、並びに、数値範囲などは、厳格な意味のみを表す表現ではなく、実質的に同等な範囲、例えば数％程度の差異をも含むことを意味する表現である。

（実施の形態）
以下、図を用いて、実施の形態を説明する。

［１．概要］
まず、実施の形態に係る液体処理装置１００の概要について、図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係る液体処理装置１００の構成を示す図である。なお、図１では、被処理液２を溜める処理槽１０、並びに、被処理液２に対してプラズマ処理を行う反応槽１５及びその近傍の各々の断面構成の一例を示しており、配管部２０、気体供給装置６０などのその他の構成を模式的に示している。

図１に示すように、液体処理装置１００は、被処理液２内に供給された気体３中でプラズマを生成する。被処理液２内に供給された気体３は、気泡として被処理液２内に存在する。

被処理液２は、例えば、純水、水道水又は廃水などの水などの液体である。液体処理装置１００は、第１の電極３０と第２の電極３５との間に電圧を印加し、被処理液２に供給された気体３内でプラズマを生成する。これにより、ＯＨラジカル又は窒素系酸化物などの活性種が生成されて水中に送り込まれることで、被処理液２そのものの除菌又は有機性物質の分解を行うことができる。あるいは、プラズマ処理によって活性種を含ませた被処理液２を使用し、他の気体若しくは液体の除菌又は有機性物質の分解、他の物質に付着した菌の除菌若しくは有機性物質の分解などの様々な目的に使用できる。なお、活性種には、例えば、ヒドロキシルラジカル（ＯＨ）、水素ラジカル（Ｈ）、酸素ラジカル（Ｏ）、スーパーオキシドアニオン（Ｏ^２−）、一価酸素イオン（Ｏ⁻）又は過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）などが含まれる。

［２．構成］
次に、本実施の形態に係る液体処理装置１００の構成について説明する。

図１に示すように、液体処理装置１００は、処理槽１０と、反応槽１５と、配管部２０と、第１の電極３０と、第２の電極３５と、絶縁体４０と、金属部材５０と、気体供給装置６０と、液体供給装置７０と、電源８０とを備える。以下では、液体処理装置１００が備える各構成要素について、図１を適宜参照しながら図２を用いて詳細に説明する。図２は、本実施の形態に係る液体処理装置１００の主要部の構成を示す断面図である。

［２−１．処理槽］
処理槽１０は、被処理液２を溜めるための容器である。処理槽１０の外形形状は、例えば、直方体、円柱又は球体など、いかなるものでもよい。処理槽１０は、例えば、上部が開放されたトレイなどである。

処理槽１０には、配管部２０が接続されている。具体的には、処理槽１０は、配管部２０を介して反応槽１５と接続されている。配管部２０には、液体供給装置７０が接続されており、処理槽１０、反応槽１５及び配管部２０の間で被処理液２が循環される。

処理槽１０は、例えば、耐酸性の樹脂材料などで形成される。例えば、処理槽１０は、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂、シリコンゴム、ポリ塩化ビニル、ステンレス又はセラミックなどから形成される。

［２−２．反応槽］
反応槽１５は、内部に第１の電極３０及び第２の電極３５の各々の少なくとも一部が配置された槽である。具体的には、反応槽１５の側壁を貫通するように第１の電極３０及び第２の電極３５が配置されている。

反応槽１５は、被処理液２が流れる流路を内部に有する。流路内には、被処理液２が満たされている。第１の電極３０及び第２の電極３５の各々の少なくとも一部は、流路内に配置されている。流路には、気体供給装置６０が供給した気体３が、絶縁体４０の開口４２を介して気泡として放出される。第１の電極３０及び第２の電極３５間で放電させることにより、気体３内でプラズマが生成される。

反応槽１５は、例えば、水平方向に対して長尺な角筒状又は円筒状の容器であるが、これに限らない。反応槽１５は、例えば、密閉された貯液タンクでもよく、あるいは、上部が開放されたトレイでもよい。また、反応槽１５は、配管部２０の一部でもよい。

反応槽１５は、例えば、耐酸性の樹脂材料などで形成される。例えば、反応槽１５は、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂、シリコンゴム、ポリ塩化ビニル、ステンレス又はセラミックなどから形成される。

［２−３．配管部］
配管部２０は、被処理液２の循環経路を形成するための配管である。配管部２０は、例えば、パイプ、チューブ又はホースなどの管状の部材から形成される。配管部２０は、耐酸性の樹脂材料又は金属材料などから形成される。例えば、配管部２０は、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂、シリコンゴム、ポリ塩化ビニル、ステンレス又はセラミックなどから形成される。

本実施の形態では、配管部２０は、処理槽１０と液体供給装置７０とを接続し、液体供給装置７０と反応槽１５とを接続し、反応槽１５と処理槽１０とを接続している。このように、配管部２０は、処理槽１０、液体供給装置７０、反応槽１５、処理槽１０をこの順で接続し、被処理液２の循環経路を形成している。

［２−４．第１の電極］
第１の電極３０は、プラズマを生成するための一対の電極の一方である。第１の電極３０は、反応電極として用いられ、周囲にプラズマが生成される。第１の電極３０は、陽極として機能する。図２に示すように、第１の電極３０は、電極部３１と、支持部３２とを備える。第１の電極３０は、第１端部、及び第１端部よりも被処理液２に近い第２端部を有する。

電極部３１は、長尺の円柱状の電極部であり、第１の電極３０の先端側の部分である。なお、先端側とは、絶縁体４０の端面４１及び開口４２に近い方向を示している。先端側の反対側である後端側の支持部３２には、気体供給装置６０が接続されている。これにより、電極部３１に沿って先端に向かって気体３が流れる。

電極部３１の先端と、当該先端を覆う気体３及び被処理液２の気液界面との間にプラズマが発生する。なお、電極部３１の先端は、絶縁体４０の開口４２より奥側に後退している。後退量は、電極部３１の先端と、絶縁体４０の被処理液２に接する端面４１との間の距離であり、例えば３ｍｍ以下であり、一例として２ｍｍである。

電極部３１は、例えば、直径が１ｍｍ、かつ、長さが４０ｍｍである。なお、電極部３１の形状は、これに限らず、例えば、三角柱、楕円柱、円柱の先端に半球が接続された形状など、いかなるものでもよい。また、電極部３１は、まっすぐでなくてもよく、屈曲していてもよい。

電極部３１は、例えば、タングステン又はタングステンイットリウムなどを用いて形成されている。タングステン又はタングステンイットリウムなどは、プラズマへの耐性が高く、電極消耗が起こりにくい。また、電極部３１は、例えば、銅又は鉄を用いて形成されていてもよい。銅又は鉄を使用した場合、ＯＨラジカルが再結合して生成する過酸化水素と、銅イオン又は鉄イオンが反応し、ＯＨラジカルが再度生成され、除菌又は有機物分解などの能力を向上することができる。

支持部３２は、電極部３１を支持する金属製の部材である。具体的には、電極部３１は、支持部３２に圧入されることで固定されている。支持部３２は、電極部３１と電気的に接続されており、電源８０から受けた電力を電極部３１に伝える。

支持部３２は、第１の電極３０の後端側に設けられた円柱部である。支持部３２の直径は、電極部３１より大きく、例えば、絶縁体４０の開口４２と同じ大きさである。支持部３２は、例えば、鉄などの加工が容易な金属材料を用いて形成されている。

なお、図示していないが、支持部３２には、気体３を流すための貫通孔が軸方向に沿って形成されている。支持部３２の後端側には気体供給装置６０が接続されており、貫通孔を介して気体３が絶縁体４０の内部空間である空間４３に供給される。

なお、電極部３１と支持部３２とは、一体で形成されていてもよい。例えば、電極部３１と支持部３２とは、同一材料を用いて形成されていてもよい。電極部３１及び支持部３２の各々の形状も特に限定されない。

［２−５．第２の電極］
第２の電極３５は、プラズマを生成するための一対の電極の他方である。第２の電極３５は、陰極として機能する。第２の電極３５は、反応槽１５の流路内に少なくとも一部が配置されている。第２の電極３５は、被処理液２に接触している。

本実施の形態では、第２の電極３５は、図１に示すように、第１の電極３０よりも流路内で上流側に配置されているが、これに限らない。第２の電極３５は、第１の電極３０よりも流路内で下流側に配置されていてもよい。また、第２の電極３５は、被処理液２の流れる方向に対して直交するように、第１の電極３０に対して対向する位置に配置されていてもよい。

第２の電極３５の形状、大きさ及び材質などは、例えば、第１の電極３０と同一であるが、異なってもよい。例えば、第２の電極３５は、白金、又は、白金を被覆したチタンなどを用いて形成されてもよい。

［２−６．絶縁体］
絶縁体４０は、第１の電極３０の側面を、空間４３を介して囲むように配置され、被処理液２に接する端面４１に開口４２が設けられた筒状の第１の絶縁体の一例である。本実施の形態では、絶縁体４０は、第１の電極３０と金属部材５０との間に介在している。具体的には、絶縁体４０は、第１の電極３０の電極部３１と金属部材５０との間に介在し、電極部３１の側面を囲む長尺の筒体である。なお、絶縁体４０の形状は、例えば、円筒であるが、三角筒又は楕円筒など、いかなるものでもよい。

絶縁体４０の内径は、電極部３１の外径より大きい。また、電極部３１と絶縁体４０とは同軸上に配置されている。このため、空間４３は、電極部３１の側面の全周に亘って円筒状に形成される。空間４３によって、電極部３１は、絶縁体４０に接触しない。絶縁体４０は、例えば、内直径が３ｍｍであって、外直径が４ｍｍである。

絶縁体４０は、例えば、アルミナなどのセラミックから構成される。あるいは、絶縁体４０は、マグネシア、ジルコニア、石英又は酸化イットリウムなどから形成されてもよい。

絶縁体４０は、例えば、図１及び図２に示すように、反応槽１５の壁面を貫通して、開口４２が被処理液２に接触するように固定されている。なお、絶縁体４０と反応槽１５との境界部分を埋めるためのパッキンなどの防水部材が設けられていてもよい。

［２−７．金属部材］
金属部材５０は、第１の電極３０の側面の一部であって、第１の電極３０の先端から、後端に向かって所定の距離の間以外の部分を、空間４３を介して囲んでいる。すなわち、金属部材５０は、第１の電極３０の被処理液２に近い方の端部である第２端部から、第１の電極３０の第１端部と第２端部との間の所定位置までの第１の電極３０の側面を除く部分を、空間４３を介して囲んでいる。本実施の形態では、図２に示すように、金属部材５０は、絶縁体４０の外側面に接している。

ここで、図２に示すように、金属部材５０が第１の電極３０の電極部３１の側面を囲んでいる長さであって、軸方向に沿った長さをＬ１とする。また、絶縁体４０の軸方向に沿った長さをＬ２とする。本実施の形態では、絶縁体４０の内部空間である空間４３の長さは、絶縁体４０の長さと同じである。

金属部材５０は、図２に示すように、絶縁体４０の空間４３の後端側の部分を囲んでいる。具体的には、金属部材５０は、空間４３の後端から開口４２に向かって距離Ｌ１までの範囲を囲んでいる。なお、後端とは、空間４３の開口４２とは反対側の端部である。一方で、金属部材５０は、空間４３の先端、すなわち、開口４２から距離Ｌ２−Ｌ１までの範囲を囲んでいない。

距離Ｌ１は、例えば、１０ｍｍ以上である。例えば、１０ｍｍの場合、絶縁破壊電圧が１０ｋＶ程度である。電源８０が供給する電圧が、例えば５ｋＶの場合、２倍の余裕度を持つことになる。なお、電源８０が印加する電圧が小さい場合、距離Ｌ１は１０ｍｍより短くてもよい。例えば、距離Ｌ１は、電源８０が印加する電圧１ｋＶに対して２ｍｍ以上であってもよい。

金属部材５０の材料は、例えば、ステンレス、具体的にはＳＵＳ３０４を用いて形成されている。なお、金属部材５０の材料は、第１の電極３０と同じでもよい。例えば、金属部材５０は、第１の電極３０と一体に形成されていてもよい。

また、金属部材５０は、第１の電極３０に電気的に接続され、電源８０によって所定の電圧が印加された場合に、第１の電極３０と略同電位になる。なお、略同電位とは、金属部材５０の電位と第１の電極３０の電位とが全く同じである場合だけでなく、実質的に同じ範囲、例えば、数％程度の差異がある場合も含んでいる。例えば、第１の電極３０及び金属部材５０の各々の内部抵抗、及び、第１の電極３０と金属部材５０との接触抵抗などの影響によって完全には電位が一致していない場合も含んでいる。

本実施の形態では、金属部材５０の形状は、図３に示すように、例えば筒状である。具体的には、金属部材５０は、内径が絶縁体４０の外径と略等しい円筒体である。なお、図３は、本実施の形態に係る液体処理装置１００の金属部材５０の形状を示す斜視図である。図３では、絶縁体４０及び第１の電極３０の電極部３１の一部を切り欠いて示している。なお、金属部材５０の形状は、図３に示した例に限らない。金属部材５０のその他の変形例については、図７から図１０を用いて後で説明する。

［２−８．気体供給装置］
気体供給装置６０は、絶縁体４０の内部に気体３を供給することで、開口４２を介して気体３を被処理液２中に放出する。気体供給装置６０は、例えば、第１の電極３０の支持部３２に接続されている。気体供給装置６０は、例えば、周囲の空気を取り込んで、支持部３２の貫通孔を介して空間４３に気体３を供給する。なお、気体供給装置６０は、空気に限らず、窒素ガス、酸素ガス、アルゴン又はヘリウムなどを供給してもよい。

本実施の形態では、気体供給装置６０が供給する気体３の流量は、例えば０．５Ｌ（リットル）／ｍｉｎ以上であり、一例として２．０Ｌ／ｍｉｎである。気体供給装置６０が気体３を供給した場合、気体３が空間４３内に溜まった被処理液２を開口４２から押し出して、電極部３１を気体３が覆う。気体３は、開口４２を介して反応槽１５内の被処理液２中へ放出される。

［２−９．液体供給装置］
液体供給装置７０は、配管部２０を介して、処理槽１０と反応槽１５との間で被処理液２を循環させる。本実施の形態では、液体供給装置７０は、配管部２０の途中に配置されている。

［２−１０．電源］
電源８０は、第１の電極３０と第２の電極３５との間に所定の電圧を印加することで、プラズマを生成する。具体的には、電源８０は、第１の電極３０と第２の電極３５との間にパルス電圧又は交流電圧を印加する。

電源８０が印加する電圧は、例えば、２ｋＶ／ｃｍから５０ｋＶ／ｃｍ、１Ｈｚから１００ｋＨｚの正極性の高電圧パルスである。電圧波形は、例えば、パルス状、正弦半波形及び正弦波形のいずれでもよい。また、第１の電極３０と第２の電極３５との間に流れる電流値は、例えば、１ｍＡから３Ａである。ここでは、電源８０は、例えば、第１の電極３０が正極となり、第２の電極３５が負極となるように、パルス電圧を印加する。パルス電圧は、例えば、最大値５ｋＶ、周波数３０ｋＨｚ、Ｄｕｔｙ比５０％である。また、電源８０と負荷との共振により立ち上がり直後のみ、最大値をとり、その後、定常電圧として約２ｋＶが印加されるようにしてもよい。

［３．動作］
以下、本実施の形態に係る液体処理装置１００の動作を詳細に説明する。

まず、気体供給装置６０により、絶縁体４０の被処理液２内に位置する開口４２から、被処理液２中に気体３を供給する。気体３の流量は、例えば、２．０Ｌ／ｍｉｎである。図２に示すように、絶縁体４０の開口４２は、内部の空間４３から放出される気体３で覆われる。このとき、第１の電極３０の電極部３１は、供給される気体３（すなわち、気泡）によって覆われ、被処理液２に直接接触しない。そのため、絶縁体４０の開口４２を覆う気体３は、第１の電極３０と第２の電極３５との間に挿入された絶縁体として機能する。

気体３の供給が行われている間に、電源８０は、第１の電極３０と第２の電極３５との間に、例えば５ｋＶのパルス電圧を印加する。これにより、絶縁体４０の開口４２を覆う気体３内でプラズマが生じる。プラズマ中には、ＯＨラジカル及びＮＯラジカルなどの活性種が存在し、被処理液２中に導入される。これにより、活性種のまま、又は、硝酸イオン若しくは亜硝酸イオンなどの反応生成物となり、被処理液２中の菌又は臭い成分と反応し、除菌又は分解が行われる。

［４．変形例］
ここで、本実施の形態に係る変形例について、図４から図１０を用いて説明する。以下では、絶縁体４０の変形例と、金属部材５０の変形例とについて説明する。ここで説明する変形例は、いずれも実施の形態との相違点を中心に説明し、共通点についての説明を省略又は簡略化する。特に説明しない点ついては、実施の形態と実質的に同じである。

［４−１．変形例１］
図４は、変形例１に係る液体処理装置１０１の主要部の構成を示す断面図である。図４に示すように、本変形例に係る液体処理装置１０１は、実施の形態に係る液体処理装置１００と比較して、さらに、絶縁体４４を備える点が相違する。

絶縁体４４は、金属部材５０が被処理液２に接触しないように金属部材５０の少なくとも一部を被覆する第２の絶縁体の一例である。具体的には、絶縁体４４は、金属部材５０と被処理液２との間に位置している。絶縁体４４は、例えば、金属部材５０の先端側の端部を覆っている。例えば、図４に示すように、絶縁体４４は、第１の絶縁体である絶縁体４０の外側面と金属部材５０とを覆っている。

絶縁体４４の材料は、例えば、アクリル樹脂、塩化ビニル樹脂などであるが、これに限らない。例えば、絶縁体４４の材料は、絶縁体４０と同一の材料、例えばアルミナなどでもよい。

絶縁体４４の形状は、例えば、円筒であるが、三角筒又は楕円筒など、いかなるものでもよい。本変形例では、絶縁体４４は、金属部材５０及び絶縁体４０の外径に合った形状の内側面を有する。具体的には、絶縁体４４は、金属部材５０の外側面と、絶縁体４０の金属部材５０に覆われていない外側面とに密着している。

これにより、金属部材５０と被処理液２とが接触するのが抑制されるので、短絡などの発生を抑制することができる。短絡が発生しにくいので、液体処理装置１０１の故障の発生を抑制し、かつ、放電を安定させることができる。

［４−２．変形例２］
図５は、変形例２に係る液体処理装置１０２の主要部の構成を示す断面図である。図５に示すように、本変形例に係る液体処理装置１０２は、実施の形態に係る液体処理装置１００と比較して、絶縁体４０の代わりに、絶縁体４５を備える点が相違する。

絶縁体４５は、実施の形態に係る絶縁体４０と変形例１に係る絶縁体４４とが一体となった絶縁体である。絶縁体４５は、第１の絶縁体の一例である。本変形例では、金属部材５０は、絶縁体４５に埋め込まれている。すなわち、絶縁体４５には、金属部材５０を埋め込むための凹部４６が形成されている。凹部４６は、金属部材５０の形状に沿って筒状に設けられた凹部である。凹部４６は、絶縁体４５の成形時に予め形成されてもよく、絶縁体４５の成形後に削り加工を施すことで形成されてもよい。

これにより、金属部材５０と被処理液２とが接触するのが抑制されるので、短絡などの発生を抑制することができる。短絡が発生しにくいので、液体処理装置１０２の故障の発生を抑制し、かつ、放電を安定させることができる。

［４−３．変形例３］
図６は、変形例３に係る液体処理装置１０３の主要部の構成を示す断面図である。図６に示すように、本変形例に係る液体処理装置１０３は、実施の形態に係る液体処理装置１００と比較して、絶縁体４０の代わりに絶縁体１４０及び絶縁体１４４を備える点と、金属部材５０の代わりに金属部材１５０を備える点とが相違する。絶縁体１４０及び絶縁体１４４は第１の絶縁体の一例であり、絶縁体１４０が第１部分、絶縁体１４４が第２部分にそれぞれ相当する。

金属部材１５０は、第１の電極３０と絶縁体１４０との間に介在している。つまり、金属部材１５０は、絶縁体１４０の内部空間である空間１４３に配置されている。例えば、金属部材１５０の形状は、円筒状であり、内径が第１の電極３０の支持部３２の外径と略一致している。

本変形例では、絶縁体１４０の端面１４１に形成される開口１４２は、絶縁体４０の開口４２より大きい。すなわち、空間１４３は、空間４３より大きい。これにより、内部に金属部材１５０及び絶縁体１４４を配置するための十分なスペースが設けられている。なお、図６は一例に過ぎないので、例えば、開口１４２は、開口４２と同じ大きさでもよい。

絶縁体１４４は、金属部材１５０が空間１４３で露出しないように、金属部材１５０の少なくとも一部を被覆する。絶縁体１４４は、絶縁体１４０の内部に進入しうる被処理液２が金属部材１５０と接触するのを防止するために設けられている。このため、絶縁体１４４は、金属部材１５０の少なくとも先端側の端部を覆っている。

絶縁体１４４は、第１の電極３０の電極部３１の側面を囲むように筒状に設けられている。なお、絶縁体１４４は、少なくとも気体３の通り道を確保できていれば、電極部３１に接触していてもよい。絶縁体１４４は、例えば、絶縁性の樹脂材料を用いて形成されているが、これに限らない。

これにより、金属部材１５０と第１の電極３０とが略同じ電位であるため、絶縁体１４４の内部の電界強度が略０となり、被処理液２に加わるマクスウェル応力を抑制することができる。本変形例によれば、絶縁体１４０の外側に、金属部材、及び、当該金属部材を保護する絶縁体などを配置する必要がなくなる。このため、省スペースな構成となって、液体処理装置を小型化することができる。

［４−４．変形例４］
図７は、変形例４に係る金属部材５１の形状を示す斜視図である。図７に示すように、金属部材５１は、実施の形態に係る金属部材５０と比較して、その形状が相違している。

具体的には、金属部材５１の形状は、螺旋形状である。螺旋形状の間隔Ｐ１は、絶縁体４０と第１の電極３０との距離以下である。

絶縁体４０と第１の電極３０との距離は、具体的には、図７に示すように、絶縁体４０の内側面と電極部３１の外側面との距離Ｄであり、筒状の空間４３の幅に相当する。距離Ｄは、例えば１ｍｍであるが、これに限らない。

螺旋形状の金属部材５１の太さは、電界の漏れが起きない程度であればよい。例えば、金属部材５１の太さは、螺旋形状の間隔Ｐ１以上である。

これにより、絶縁体４０の内部の電界を略０にしたまま、金属部材５１として使用する金属材料の量を減らすことができるので、金属部材５１を軽量化することができる。よって、液体処理装置１００の軽量化及びコストの削減を実現することができる。

［４−５．変形例５］
図８は、変形例５に係る金属部材５２の形状を示す斜視図である。図８に示すように、金属部材５２は、実施の形態に係る金属部材５０と比較して、その形状が相違している。

具体的には、金属部材５２の形状は、筒状のメッシュ形状である。メッシュ形状の目開きＰ２は、絶縁体４０と第１の電極３０との距離以下である。なお、目開きＰ２は、メッシュ形状の開口の幅である。

図８では、メッシュ形状の開口が正方形である例について示したが、これに限らない。開口は、長方形又はひし形などでもよい。

メッシュ形状の金属部材５２の各ラインの太さは、電界の漏れが起きない程度であればよい。例えば、金属部材５２の各ラインの太さは、目開きＰ２以上である。

これにより、絶縁体４０の内部の電界を略０にしたまま、金属部材５２として使用する金属材料の量を減らすことができるので、金属部材５２を軽量化することができる。よって、液体処理装置１００の軽量化及びコストの削減を実現することができる。

［４−６．変形例６］
図９は、変形例６に係る金属部材５３の形状を示す斜視図である。図９に示すように、金属部材５３は、実施の形態に係る金属部材５０と比較して、その形状が相違している。

具体的には、金属部材５３の形状は、複数の金属棒体５３ａが所定の間隔Ｐ３で環状に並んだ形状である。所定の間隔Ｐ３は、絶縁体４０と第１の電極３０との距離以下である。複数の金属棒体５３ａは、等間隔で並んでいる。

本変形例では、複数の金属棒体５３ａはそれぞれ、第１の電極３０の電極部３１の延びる方向に長尺な棒体である。複数の金属棒体５３ａの各々の形状は、例えば、円柱状であるが、角柱状でもよい。

金属棒体５３ａの太さは、電界の漏れが起きない程度であればよい。例えば、金属棒体５３ａの太さは、所定の間隔Ｐ３以上である。

これにより、絶縁体４０の内部の電界を略０にしたまま、金属部材５３として使用する金属材料の量を減らすことができるので、金属部材５３を軽量化することができる。よって、液体処理装置１００の軽量化及びコストの削減を実現することができる。

［４−７．変形例７］
図１０は、変形例７に係る金属部材５４の形状を示す斜視図である。図１０に示すように、金属部材５４は、実施の形態に係る金属部材５０と比較して、その形状が相違している。

具体的には、金属部材５４の形状は、複数の金属棒体５４ａが所定の間隔Ｐ４で環状に並んだ形状である。所定の間隔Ｐ４は、絶縁体４０と第１の電極３０との距離以下である。複数の金属棒体５４ａは、等間隔で並んでいる。

本変形例では、複数の金属棒体５４ａはそれぞれ、絶縁体４０の外側面に沿って螺旋状に延びている。これにより、金属部材５４は、多重螺旋構造を形成している。複数の金属棒体５４ａの各々の断面形状は、例えば、円形であるが、正方形若しくは長方形、又は、楕円形などでもよい。

金属棒体５４ａの太さは、電界の漏れが起きない程度であればよい。例えば、金属棒体５４ａの太さは、所定の間隔Ｐ４以上である。

これにより、絶縁体４０の内部の電界を略０にしたまま、金属部材５４として使用する金属材料の量を減らすことができるので、金属部材５４を軽量化することができる。よって、液体処理装置１００の軽量化及びコストの削減を実現することができる。

［５．金属部材の効果］
ここで、本実施の形態に係る液体処理装置１００が金属部材５０を備えることによって発揮する効果について説明する。なお、詳細については説明しないが、上述した変形例１から７のいずれの場合も実質的に同等の効果が得られる。

まず、比較例として、金属部材５０が設けられていない場合の動作について説明する。電極部３１と絶縁体４０との間には強い電位勾配が存在する。これにより、電界強度の２乗に比例したマクスウェル応力が被処理液２に働き、絶縁体４０の開口４２から奥に向かって被処理液２が引き込まれる。引き込まれた被処理液２が、絶縁体４０の空間４３の後端に接近し、被処理液２と第１の電極３０との間の電圧が絶縁耐圧を超えた場合、絶縁体４０の内部で望ましくない放電が発生する。

放電の発生により、絶縁体４０の内側面に、被処理液２に含まれるカルシウム（Ｃａ）又はマグネシウム（Ｍｇ）などの無機成分が析出する。析出によって、絶縁体４０の空間４３が閉塞するという問題、又は、析出した無機成分と第１の電極３０との間で望ましくない放電がさらに発生するといった問題が生じる。

これに対し、本実施の形態では、上述したように、絶縁体４０の外周に、金属部材５０を配置し、第１の電極３０と電位を同じにすることで、マクスウェル応力による液体の進入を抑制することができる。なお、変形例３のように、絶縁体１４０の内側に金属部材１５０を配置した場合も同様である。

より詳細な説明のため、図１１Ａ及び図１１Ｂを用いて説明する。図１１Ａ及び図１１Ｂはそれぞれ、比較例及び変形例１に係る液体処理装置の電界シミュレーション結果を示す図である。具体的には、図１１Ａは、絶縁体４０の外周に金属部材５０を配置していない場合の電位分布を示している。図１１Ｂは、絶縁体４０の外周に金属部材５０を配置し、さらに、変形例１のように、金属部材５０を覆う絶縁体４４が設けられている場合において、金属部材５０に第１の電極３０と同じ電位を与えたときの電位分布を表している。

いずれの場合も、第１の電極３０に５ｋＶを印加し、被処理液２を接地電位に接続された完全導体と仮定した。また、絶縁体４０としてアルミナ、絶縁体４０を保持する絶縁体４４としてアクリル樹脂、気体３として室温で大気圧の空気を選び、各構成部材の誘電率をパラメータとして使用した。

これらの結果によると、図１１Ａに示すように、金属部材５０を配置していない場合においては、絶縁体４０の内部の空間４３において、電極部３１と絶縁体４０の内側面との間に電位勾配が見られる。つまり、強力な電界が電極部３１から絶縁体４０に向けて発生している。ここから、電界強度の２乗に比例したマクスウェル応力が被処理液２に加わるので、絶縁体４０の内部に液体が進入することが分かる。

一方、図１１Ｂに示すように、金属部材５０を配置した場合には、特に、金属部材５０で囲まれた領域において、電位勾配が見られない。つまり、電極部３１と絶縁体４０との間の電界は解消され、マクスウェル応力の発生を抑制できることが分かる。したがって、絶縁体４０の内部への液体の進入を抑制することができる。

このように、本実施の形態及び各変形例に係る液体処理装置によれば、絶縁体４０の奥部への被処理液２の進入を抑制することができる。したがって、絶縁体４０の奥部における望まない放電を抑制することができる。これにより、絶縁体４０の奥部での放電により、開口４２の近傍での放電効率が低下することを抑制することができる。また、絶縁体４０の奥部での放電により、絶縁体４０を保持する部材などが焼損することを抑制することができる。したがって、液体処理装置の性能を長期間に亘って維持することができ、安心かつ安全に貢献することができる。

（他の実施の形態）
以上、１つ又は複数の態様に係る液体処理装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本開示の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したもの、及び、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本開示の範囲内に含まれる。

例えば、上記の実施の形態では、被処理液２を循環させることで、流れる被処理液２中に気体３を供給し、気体３内でプラズマを発生させたが、これに限らない。例えば、被処理液２は、流れていない液体、具体的には、静水であってもよい。この場合、液体処理装置１００は、処理槽１０、配管部２０及び液体供給装置７０を備えていなくてもよい。

また、例えば、第１の電極３０は、電極部３１と支持部３２とを備える例について示したが、第１の電極３０は、１本の棒状（円柱体）の電極でもよい。あるいは、第１の電極３０は、角柱状又は平板状の電極でもよい。第２の電極３５についても同様である。また、例えば、第１の電極３０、絶縁体４０及び金属部材５０を複数設けてもよい。

また、上記の各実施の形態は、特許請求の範囲又はその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示は、効率良くプラズマを生成することができる液体処理装置として利用でき、例えば、殺菌装置、水浄化装置、難分解物質の分解装置、材料加工装置などに利用することができる。

２ 被処理液
３ 気体
１０ 処理槽
１５ 反応槽
２０ 配管部
３０ 第１の電極
３１ 電極部
３２ 支持部
３５ 第２の電極
４０、４４、４５、１４０、１４４ 絶縁体
４１、１４１ 端面
４２、１４２ 開口
４３、１４３ 空間
４６ 凹部
５０、５１、５２、５３、５４、１５０ 金属部材
５３ａ、５４ａ 金属棒体
６０ 気体供給装置
７０ 液体供給装置
８０ 電源
１００、１０１、１０２、１０３ 液体処理装置

Claims (18)

1. 液体を保持するための容器と、
   前記液体内に少なくとも一部が配置される第１の電極と、
   前記液体内に少なくとも一部が配置される第２の電極と、
   前記第１の電極の側面の少なくとも一部を、空間を介して囲み、筒状の形状を有し、かつ端面に開口を有する第１の絶縁体と、
   前記空間内に気体を供給し、かつ前記開口を介して前記気体を前記液体中に放出する気体供給装置と、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加し、かつプラズマを発生させる電源と、
   前記第１の電極の前記側面の一部を、前記空間を介して囲む金属部材と、を備え、
   前記金属部材は、前記第１の電極に電気的に接続されており、
   前記第１の絶縁体の少なくとも一部は、前記第１の電極と前記金属部材との間に介在している、
   液体処理装置。
2. 前記第１の電極は、第１端部、及び前記第１端部よりも前記液体に近い第２端部を有し、
   前記第１の電極の前記側面の前記一部は、 前記第２端部から、前記第１端部と前記第２端部との間の所定位置までの前記側面を除く部分である、
   請求項１に記載の液体処理装置。
3. 前記第１の電極の前記空間に囲まれている部分の２つの端部のうち、前記開口から遠いほうの端部から前記所定位置までの距離は１０ｍｍ以上である、
   請求項２に記載の液体処理装置。
4. 前記金属部材は、前記電源によって前記電圧が印加された場合に、前記第１の電極と略同電位になる、
   請求項１に記載の液体処理装置。
5. 前記金属部材は、前記第１の絶縁体の外側面に接している、
   請求項１に記載の液体処理装置。
6. さらに、前記金属部材の少なくとも一部を被覆する第２の絶縁体を備える、
   請求項５に記載の液体処理装置。
7. 前記金属部材は、前記第１の絶縁体に埋め込まれている、
   請求項１に記載の液体処理装置。
8. 前記第１の絶縁体は、第１部分と第２部分とを含み、
   前記第１部分と前記第２部分との間に前記金属部材が介在し、
   前記金属部材と前記第１電極との間に前記第２部分が介在する、
   請求項１に記載の液体処理装置。
9. 前記第１の絶縁体の前記第１部分及び前記第２部分は、互いに異なる材料を用いて形成されている、
   請求項８に記載の液体処理装置。
10. 前記第１の絶縁体の前記第１部分及び前記第２部分は、互いに同じ材料を用いて形成されている、
    請求項８に記載の液体処理装置。
11. 前記金属部材は、筒状の形状を有する、
    請求項１から１０のいずれか１項に記載の液体処理装置。
12. 前記金属部材は、筒状のメッシュ形状を有する、
    請求項１から１０のいずれか１項に記載の液体処理装置。
13. 前記メッシュ形状の開口の幅は、前記第１の絶縁体と前記第１の電極との距離以下である、
    請求項１２に記載の液体処理装置。
14. 前記金属部材は、螺旋形状を有する、
    請求項１から１０のいずれか１項に記載の液体処理装置。
15. 前記螺旋形状に含まれる螺旋の間隔は、前記第１の絶縁体と前記第１の電極との距離以下である、
    請求項１４に記載の液体処理装置。
16. 前記金属部材は、複数の金属棒体が所定の間隔で環状に並んだ形状を有する、
    請求項１から１０のいずれか１項に記載の液体処理装置。
17. 前記所定の間隔は、前記第１の絶縁体と前記第１の電極との距離以下である、
    請求項１６に記載の液体処理装置。
18. 前記第１の電極は、円柱状の電極部を有し、
    前記第１の絶縁体は、前記電極部の側面の一部を囲む円筒体であり、
    前記電極部及び前記第１の絶縁体は、同軸上に配置されている、
    請求項１から１７のいずれか１項に記載の液体処理装置。