JP2018206763A - 液中プラズマ発生装置および液体処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体中に供給された気体にプラズマを発生させる液中プラズマ発生装置において、高効率で安定したプラズマを発生させる。【解決手段】液中プラズマ発生装置３は、内部空間に液体を保持する筐体と、内部空間内に開口を有し該開口から液体中に気体を吐出する気体供給管と、気体供給管内から開口を介して内部空間に突出し、該突出部位は導体部が誘電体により被覆された構造を有する第１電極と、第１電極の突出部位を取り囲んで設けられ、誘電体によって液体から隔離された導体部を有する第２電極と、第１電極と第２電極との間に電圧を印加する電圧印加部とを備え、突出部位と第２電極との間の空間が、開口から吐出された気体が流通する流路となっている。【選択図】図３

Description

この発明は、液体中に供給される気体に電界を与えて当該液体中でプラズマを発生させる液中プラズマ発生装置およびこれを用いる液体処理装置に関するものである。

反応生成物の生成手段や有害物質・細菌類の無害化手段として、化学的に活性な活性種を含有する液体を生成するための技術が数多く提案されている。例えば特許文献１に記載の技術では、誘電体管を流れる被処理水に気泡を発生させ、液中に配置された電極間に高電圧を印加することで、気泡内で放電させてプラズマを発生させる。また、特許文献２に記載の技術では、気体が混合された液体を流通させる誘電体管の外部に一方電極が、管内に他方電極がそれぞれ設けられている。

特開２０１５−１１６５６１号公報 特開２０１３−２０６７６７号公報

上記従来技術では、少なくとも一方の電極が液中にあり、その電極の周囲で放電が生じるため、発生したプラズマに曝された電極の成分が液中に溶出することがある。また、電極の周囲を取り巻く気泡を含む液体の状態が刻々と変化するため、発生するプラズマの密度や量が不安定となりやすい。このため、投入される気体やエネルギーに対するプラズマ発生効率およびプラズマ発生の安定性を高める上で、上記従来技術は改良の余地を残している。

この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、液体中に供給された気体にプラズマを発生させる液中プラズマ発生装置において、高効率で安定したプラズマの発生を可能とする技術を提供することを目的とする。

この発明に係る液中プラズマ発生装置の一の態様は、内部空間に液体を保持する筐体と、前記内部空間内に開口を有し該開口から前記液体中に気体を吐出する気体供給管と、前記気体供給管内から前記開口を介して前記内部空間に突出し、該突出部位は導体部が誘電体により被覆された構造を有する第１電極と、前記第１電極の前記突出部位を取り囲んで設けられ、誘電体によって前記液体から隔離された導体部を有する第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加する電圧印加部とを備え、前記突出部位と前記第２電極との間の空間が、前記開口から吐出された前記気体が流通する流路となっている。

このように構成された発明では、液体中に気体を供給する気体供給管の開口から第１電極の突出部位が突設されているので、開口から吐出される気体は突出部位の周囲を取り囲むように流通して液中に導入される。そして、第１電極の突出部位と、これを取り囲んで設けられる第２電極との間の空間が、開口から吐出される気体の流路であるとともに、電極間への電圧印加によりプラズマ発生電界が形成されるプラズマ発生場となっている。このため、液中に導入される気体は極めて高い確率でプラズマ発生場を通過することとなる。

そして、第１電極および第２電極の導体部は、いずれも誘電体によって液体から隔離されている。特に第１電極の突出部位の周囲においては、開口から吐出された気体が突出部位を包み込む気泡を形成することで、第１電極の導体部と気体との間には導体部を被覆する誘電体の層が介在することになり、電圧印加により生じる放電は誘電体バリア放電となる。このため、電極を液体に接するように設けた場合よりも広い領域で安定した放電を生じさせることが可能である。また、導体部が被覆されているので、プラズマに曝されることによる導体部の材料（例えば金属）が液中に溶出することも防止される。

以上のように、本発明では、液体中に開口する気体供給管の開口から吐出される気体が第１電極の突出部位を包み込むように流れて液体中に導入され、しかも突出部位の周囲にプラズマ発生場が形成されるので、気体中に高効率かつ安定したプラズマを発生させることができる。また、こうしてプラズマ化された気体が液体中に供給されるようにすることで、プラズマ化により生成された活性種を豊富に含む液体を効率よく生成することが可能となる。

本発明に係る液中プラズマ発生装置の一実施形態を装備した液体処理装置の構成例を示す図である。 プラズマ発生部の外観を示す図である。 プラズマ発生部の内部構造を示す断面図である。 突出部位の周辺の構造をより詳しく示す拡大図である。 プラズマ発生部の水平断面図である。 この実施形態におけるプラズマ発生の原理を説明する図である。 プラズマ発生部によりプラズマを発生させたときの写真を示す図である。 プラズマ活性種の量を比較するための実験結果の一例を示す図である。 第２電極の変形例を示す図である。

図１は本発明に係る液中プラズマ発生装置の一実施形態を装備した液体処理装置の構成例を示す図である。この液体処理装置１は、貯留槽２に貯留されている水に活性種を溶解させた処理液を生成する装置であり、活性種を生成するためにプラズマ発生部３において水中プラズマ（本発明の「液中プラズマ」の一例に相当）を発生させている。このように本実施形態では、水が本発明の「液体」の一例に相当している。以下の各図において、鉛直方向上向きは（＋Ｚ）方向、下向きは（−Ｚ）方向として表される。

液体処理装置１は、貯留槽２への液体の供給および貯留槽２からの液体の送出を含む装置内での液体の流通を担う配管系５と、配管系５により形成される液体の流路中に介挿されたプラズマ発生部３およびポンプ６とを備えている。具体的には、配管系５に含まれる配管５１の一方端が、貯留槽２の側面のうち内部の液体Ｌの液面よりも下方位置に接続され、配管５１の他方端がプラズマ発生部３の下部に設けられた後述の液体導入口に接続される。配管５１にはポンプ６が介挿されており、装置全体を制御する制御部７からの動作指令に応じてポンプ６が作動することで、貯留槽２に貯留されている液体が配管５１を介してプラズマ発生部３に供給される。

詳しくは後述するが、プラズマ発生部３は液中プラズマ処理によって液体中に活性種を含有させる装置である。具体的には、プラズマ発生部３は、ポンプ６により配管５１を介して送り込まれる液体に気体導入部８からの気体を混合させ、交流電源４からの高電圧により該気体中でプラズマを発生させて、生じた活性種を液体に溶け込ませる機能を有する。このように、プラズマ発生部３は、外部から供給される液体を被処理液として受け入れ、該被処理液にプラズマ発生により生じた活性種を溶け込ませた液体を処理済み液として出力する。

プラズマ発生部３の上部には配管５３の一方端が接続され、配管５３の他方端は貯留槽２に接続されている。したがって、プラズマ発生部３から出力される液体、つまりプラズマ発生部３で液中プラズマ処理を受けた液体を貯留槽２に戻すことが可能となっている。液体処理装置１では、破線矢印で示すように貯留槽２に貯留された液体は配管５１、５３を経由して循環しており、当該循環を行いながらプラズマ発生部３で液中プラズマを発生させることで液体に含まれる活性種の濃度を高めることができる。

こうして活性種を含有する液体、つまり処理液が生成されると、当該処理液を適当なタイミングで貯留槽２から外部に送出する必要がある。このために、貯留槽２の下方側面に配管５４が接続されている。この配管５４には、開閉弁５５が介挿されており、制御部７からの開指令に応じて開閉弁５５が開くと、貯留槽２に貯留されている処理液（＝液体＋活性種）を外部に取り出し可能となる。また、貯留槽２の上方側面に配管５６が接続されており、当該配管５６によって貯留槽２は液体供給源（図示省略）と接続されている。この配管５６には、開閉弁５７が介挿されており、制御部７からの開指令に応じて開閉弁５７が開くと、処理前の液体、つまり活性種を含有しない液体が貯留槽２に補充される。さらに、貯留槽２の天井面に配管５８が接続されており、当該配管５８によって貯留槽２の内部空間が液体処理装置１の周辺雰囲気と接続されている。この配管５８には、開閉弁５９が介挿されており、制御部７からの開指令に応じて開閉弁５９が開くと、貯留槽２の内部空間を液体処理装置１の周辺雰囲気と連通させて貯留槽２の内部を大気圧に戻すことができ、開閉弁５９はいわゆるリーク弁として機能する。

プラズマ発生部３には気体導入部８の配管８３が接続されている。気体導入部８は、上記配管８３を介して気体を供給する気体供給源８１と、配管８３に介挿された開閉弁８２とを有している。開閉弁８２は制御部７からの開閉指令に応じて開閉することで、プラズマ発生部３に供給される気体の導入量を時間的に変化させる。すなわち、制御部７からの開指令に応じて開閉弁８２が開くと、開成されている間、気体供給源８１から気体が開閉弁８２および配管８３を介して圧送され、プラズマ発生部３へ供給される。

図２はプラズマ発生部の外観を示す図である。また、図３はプラズマ発生部の内部構造を示す断面図である。図２に示すように、プラズマ発生部３は、鉛直方向に延びる筒状の筐体３１を主要な構成とするものであり、図３は筐体３１の管軸ＡＸを含む鉛直面における断面を示している。

筐体３１は例えば石英ガラスにより形成され内部が中空となった筒状の管であり、管壁が比較的薄く形成された薄肉部３１ｂの両端に、より管壁の厚い厚肉部３１ａ、３１ｃが接続された構造を有している。例えば、薄肉の管の両端に、これと同じ内径で厚肉の管を溶接により接合することで、筐体３１を製作することができる。または、厚肉の管の一部側壁面を切削し、研磨し、または引き延ばすことで薄肉化したものでもよい。

図示を省略しているが、厚肉部３１ａの上端は配管５３に接続される。また、下側の厚肉部３１ｃの側面には、貯留槽２から供給される液体を被処理液として受け入れるための液体導入管３１ｄが接合されており、該液体導入管３１ｄに配管５１が接続される。したがって、筐体３１の内部空間ＳＰにおいては、下部から被処理液として導入される液体が上方へ流通し、上端部から処理済み液として送出される。

筐体３１の内部空間ＳＰには、鉛直方向に延びる内管３２が挿通されている。内管３２は、筐体３１の内径よりも小さな外径を有する例えば石英ガラス製の管であり、例えばシリコンゴム等の弾性材料で形成されたシール栓３３により、筐体３１の管軸ＡＸと略同軸に支持されている。シール栓３３は内部空間ＳＰと外部空間とを離隔し液体の流出を防止するシールとしての機能も有する。筐体３１の内部空間ＳＰにおいて、内管３２は液体導入管３１ｄにより液体が導入される位置よりも上方まで延びており、その上端３２ａは例えば筐体３１の薄肉部３１ｂの鉛直方向における略中央部に位置している。内管３２の上端３２ａは筐体３１の内部空間ＳＰに連通している。すなわち、内管３２の上端３２ａは上向きの開口３２ｂを有している。

一方、内管３２の下端はシール栓３３を介して筐体３１の外部へ下向きに突出しており、その側面には気体導入管３２ｃが接続されている。図示を省略しているが、気体導入管３２ｂは気体導入部８の配管８３に接続される。気体導入部８から供給される気体は、気体導入管３２ｃおよび内管３２の内部を経由して開口３２ｂから、筐体３１の内部空間ＳＰを上向きに流通する液体中に導入される。したがって、導入された気体は液体中の気泡となって内部空間ＳＰ内を上方へ向かって移動する。

内管３２の内部には、鉛直方向に延びる第１電極３４が挿通されている。第１電極３４は、断面が略円形の棒状の導体部３４１の表面を誘電体、例えば石英ガラスによる表面層３４２で被覆した構造を有している。表面層３４２は、導体部３４１の表面を誘電体材料でコーティングするものであってもよく、また上端部が封止され内部に導体部３４１が挿通された誘電体材料製の管であってもよい。第１電極３４は、例えばシリコンゴム等の弾性材料で形成されたシール栓３５により、内管３２と略同軸に支持されている。第１電極３４の下端においては、導体部３４１が部分的に表面層３４２に覆われず露出しており、この部分に交流電源４が電気的に接続される。

第１電極３４の上端３４ａは、内管３２の上端３２ａよりも上方まで延びている。したがって、第１電極３４の先端部は内管３２の開口３２ｂから上方に突出した状態となっている。以下、第１電極３４のうちこのように内管３２の上端３２ａよりも上方に突出した部位を「突出部位」と称し符号３４ｂを付すこととする。

図４は突出部位の周辺の構造をより詳しく示す拡大図である。図３および図４に示すように、第１電極３４の突出部位３４ｂを側方（水平方向）から取り囲むように、第２電極３６が設けられる。具体的には、筐体３１の薄肉部３１ｂのうち、鉛直方向において突出部位３４ｂと対応する位置を取り巻くように、環状の金属板による第２電極３６が配置されている。第２電極３６の鉛直方向位置は、側面視において少なくとも一部が突出部位３４ｂと重なるように設定される。第２電極３６は、薄肉部３１ｂの管壁を形成する誘電体である石英ガラスの層によって、内部空間ＳＰ内の液体から隔離されている。

図５はプラズマ発生部の水平断面、具体的には図３のＡ−Ａ線断面を示す図である。図５に示すように、突出部位３４ｂの近傍では、第１電極３４の導体部３４１、表面層３４２、内管３２、筐体３１の薄肉部３１ｂおよび第２電極３６が互いに略同軸に配置されている。

第１電極３４の外径は内管３２の内径よりも小さい。このため平面視においては、第１電極３４は内管３２の開口３２ｂの内部に含まれる。したがって、第１電極３４の外側面と内管３２の内側面との間の空間が気体の流路となる。この流路を流通する気体は、第１電極３４の周囲を通って開口３２ｂから筐体３１の内部空間ＳＰに流入する。また、内管３２の外径は筐体３１の内径よりも小さい。このため、内管３２の外側面と筐体３１の内側面との間の空間が液体の流路となる。

第１電極３４と第２電極３６との間に交流電源４から交流高電圧が印加されることにより、第１電極３４の周囲の空間に強い交流電界が形成される。第１電極３４の棒状の導体部３４１を取り囲むように環状の第２電極３６が配置されることにより、両者の間には、周方向において略均一で、かつ第１電極３４の近傍で特に強い電界が形成されることになる。すなわち、このプラズマ発生部３では、第１電極３４の突出部位３４ｂの周囲に電界を集中させて、局所的な強いプラズマ発生場を形成することができる。

また、図３に示されるように、第２電極３６の鉛直方向長さを突出部位３４ｂの長さよりも大きくし、第２電極３６の上端部が突出部位３４ｂの上端部よりも上方側まで、第２電極３６の下端部を突出部位３４ｂの下端部よりも下方側まで延びるような配置とする。こうすることで、突出部位３４ｂの周辺では高さ方向においても略均一な電界を形成することができる。

図６はこの実施形態におけるプラズマ発生の原理を説明する図である。筐体３１内部の処理空間ＳＰは貯留槽２から供給された液体Ｌで満たされている。破線矢印で示すように、液体Ｌは、筐体３１の内壁と内管３２の外壁との間の空間を上向きに流通する。一方、気体導入部８から供給され内管３２の内部を流通する気体Ｇは、点線矢印で示すように第１電極３４の周囲を上向きに流通し、開口３２ｂから気泡となって液中に導入される。このとき、気体Ｇの流量を適切に設定すれば、液体Ｌの表面張力の作用により、第１電極３４の突出部位３４ｂを包み込むような気泡Ｂ１を形成させることが可能である。

前記したように、突出部位３４ｂの周囲には特に強い電界が形成されるため、気泡Ｂ１内で放電によるプラズマが発生する。第１電極３４の導体部３４１は誘電体表面層３４２で被覆されているため、このときの放電は誘電体バリア放電である。また、突出部位３４ｂの周囲では軸方向および径方向において略均一な電界が形成される。これらのことから、突出部位３４ｂを取り囲む気泡Ｂ１内の広い領域で均一なプラズマを安定的に発生させることが可能である。

内管３２を介してさらに気体Ｇが供給されることで、気泡Ｂ１は突出部位３４ｂから液中に遊離する。遊離した気泡Ｂ２中にはプラズマにより生成された高濃度の活性種が包含されており、これが液中に溶け込むことにより、液体Ｌは活性種を含むものとなる。活性種を含んだ液体Ｌが配管５３を介して貯留槽２に還流されることで、貯留槽２内の液体における活性種の濃度が上昇する。配管系５により液体が循環されることで、液中の活性種の濃度をさらに高めることができる。

第１電極３４および第２電極３６の導体部はいずれも液体Ｌに接していない。これにより、発生する放電のモードを誘電体バリア放電とすることができ、広い領域で安定したプラズマを発生させることが可能となる。また、導体部がプラズマに曝されることで導体材料が液体に溶出することも防止される。このように、本実施形態の液体処理装置１は、活性種を豊富に含み不純物の混入のない液体を処理液として生成することが可能である。

図７はプラズマ発生部によりプラズマを発生させたときの写真を示す図である。写真において上下方向に延びる明るい部分が筐体３１であり、その中央部に現れた暗い部分が第２電極３６である。筐体３１内部のうち第２電極３６で囲まれた部分が特に明るく光っており、この部分で高濃度のプラズマが発生していることがわかる。

次に、筐体３１を厚肉部３１ａ，３１ｃと薄肉部３１ｂとを接続した構成とした理由について説明する。まず、筐体３１全体の強度および製造の容易さを考えれば、全体が厚肉の管で構成されることが望ましい。特に、外部の配管５３が接続される部分である上端部と、液体導入管３１ｄが接合される部分については十分な厚さが必要である。一方、第１電極３４の突出部位３４ｂの周囲で高い電界強度を得るという観点からは、誘電体である管壁の石英ガラスはできるだけ薄い方がよい。そこで、この実施形態の筐体３１では、両端を厚肉部３１ａ，３１ｃとして、プラズマ発生場を生起させる中央部分を薄肉部３１ｂとすることにより、上記要求を満たしている。

電極間に介在する誘電体の層を薄くするという要求は、第１電極３４についても同様である。すなわち、第１電極３４の誘電体表面層３４２については、機械的強度が損なわれない程度においてできるだけ薄い方が好ましい。

このことは、気体Ｇがプラズマを発生しにくいガス種である場合に特に重要である。本願発明者は、液体Ｌとして水（純水）を、筐体３１として外径１０ｍｍ程度の石英管を使用して各種の実験を行った。その結果によれば、管壁が１ｍｍのときには、気体Ｇがアルゴンであれば比較的簡単にプラズマが発生したが、気体Ｇとして空気を用いた場合にはプラズマが発生しなかった。空気を用いた場合、管壁を０．５ｍｍ以下にしないとプラズマは発生しなかった。第１電極３４の表面層３４２についても同様である。そこで、筐体３１の薄肉部３１ｂにおける管壁の厚さを０．４ｍｍ、第１電極３１の表面層３４２の厚さを０．３ｍｍとした。このようにすると、気体Ｇとして空気を用いた場合でも、高濃度のプラズマを安定して発生させることができた。

殺菌や植物の成長促進等、活性種を含んだ処理液が大気中で利用される形態においては、プラズマ発生のための気体として空気（大気）を使用可能であることは大きなメリットを有している。すなわち、装置の作動環境に存在する事実上無尽蔵の大気を用いて処理液を生成することができるので、特別な気体供給源を必要としない。液体処理装置１の気体供給源８１としては、例えば周辺の大気を取り込んで加圧し送出するコンプレッサーがあればよいこととなる。このことは、装置構成を簡素にして装置の小型化を図る上で有利であり、もちろん処理コストも低減することができる。

気体Ｇとしてヘリウムやアルゴンなど、比較的プラズマが発生しやすいガス種を用いる場合であっても、管壁の薄肉化の効果は大きい。すなわち、管壁の薄肉化により電界強度が高くなることでプラズマ密度が上昇するので、導入される気体の利用効率が高くなり、同じ気体使用量であればより多くの活性種を発生させることができ、殺菌等の効果の高い処理液を生成することができる。また、同じプラズマ密度を得るために必要な気体使用量を抑えることができるので、処理コストの低減を図ることができる。また、必要な濃度の活性種を含む処理液を生成するのに要する時間や消費エネルギーを削減することが可能となる。

図８はプラズマ活性種の量を比較するための実験結果の一例を示す図である。本願発明者は、インディゴカルミンを添加した水をプラズマ発生部３に注入し、処理時間とともに液色がどのように変化するかを調べる実験を行った。インディゴカルミンは活性種と反応することで脱色するため、液色については吸光度によって評価した。曲線Ａは筐体３１の管壁の厚さを１ｍｍ、第１電極３４の表面層３４２の厚さを０．７ｍｍとした場合の結果である。一方、曲線Ｂは、筐体３１に管壁が０．４ｍｍの薄肉部３１ｂを設け、第１電極３４の表面層３４２の厚さを０．３ｍｍとした場合の結果である。図から明らかなように、管壁を薄くすることによってより短時間で吸光度の低下が進行しており、処理液中により多くの活性種が生成されていることがわかる。

以上説明したように、上記実施形態においては、プラズマ発生部３が本発明の「液中プラズマ発生装置」として機能しており、筐体３１、第１電極３４および第２電極３６が、それぞれ本発明の「筐体」、「第１電極」および「第２電極」に相当している。そして、内管３２が本発明の「気体供給管」として機能し、交流電源４が本発明の「電圧印加部」として機能している。

また、筐体３１においては、配管５１が接続される液体供給管３１の開口部が本発明の「導入口」に相当しており、配管５３が接続される筐体３１上端部の開口が本発明の「送出口」に相当している。また、上記実施形態の液体処理装置１においては、貯留槽２が本発明の「貯留部」として、またポンプ６が本発明の「液体供給部」として機能している。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態の説明では、第１電極３４の突出部位３４ｂが気泡Ｂ１によって完全に包まれる場合を想定しているが、これに限定されない。例えば突出部位３４ｂの周囲を取り囲むように多くの細かい気泡が発生するような条件であっても、高い電界が形成される突出部位３４ｂの周囲に多くの気泡が存在することにより、各気泡内でのプラズマ発生確率を高くして効率よくプラズマを発生させることが可能である。

また、上記実施形態では、筐体３１の薄肉部３１ｂの外周面を環状に覆う第２電極３６が設けられているが、第２電極としては上記以外に、例えば次のような構造とすることも可能である。

図９は第２電極の変形例を示す図である。図９（ａ）に示す第２電極３７は、周方向において複数に分割された電極片３７１により構成されている。このような構造によっても、第１電極３４の突出部位３４ｂの周囲に、周方向において略均一な電界を生じさせることが可能である。

また、図９（ｂ）に示す第２電極３８は、導体部３８１を誘電体（例えば石英ガラス）の表面層３８２で被覆した構造となっており、筐体３１内の内部空間ＳＰに配置されている。このような構造によっても、突出部位３４ｂの周囲に周方向に略均一な電界を生じさせることが可能である。また、筐体外に第２電極を設ける場合に比べ、電極間距離を小さくすることができるので、電界強度を高め、あるいは印加電圧を低くすることが可能となる。この他、例えば第２電極が筐体に埋め込まれた構造であってもよい。

また、上記実施形態における筐体３１および第１電極３４の表面層３４２は石英ガラス製であるが、これは誘電体の一例として使用したものであり、使用される液体やプラズマに対する耐性があり、また液体に不純物を溶出させることがないものであれば、これ以外の誘電体材料であっても構わない。例えば、実用上は管壁が透明であることは必須ではなく、不透明な材料も使用可能である。

また、筐体３１の厚肉部と薄肉部とが異なる材料であってもよく、また管全体を薄肉として他の機械的手段で補強した構造であってもよい。また、第１電極の突出部位の周囲でプラズマを発生させるのに十分な電界強度が得られる限り、管壁の全体が肉厚のものであってもよい。

また、上記実施形態の第１電極３４においては、筐体３１内の導体部３４１はその全体が表面層３４２により被覆されている。しかしながら、第２電極３６との距離が放電を生じない程度に離れており、かつ内管３２内で液体に触れるおそれのない部分については、必ずしも被覆を必要としない。

また、上記実施形態では、筐体３１、内管３２および第１電極３４が互いに同軸に配置されているが、これらは厳密に同軸構造である必要はない。すなわち、内管３２を流通する気体が第１電極３４の周囲を包むようにして液体中に導入されれば足りる。このためには、例えば平面視において第１電極３４の突出部位３４ｂが内管３２の開口３２ｂの内部に含まれていればよい。この限りにおいて、内管３２と第１電極３４とは必ずしも同軸でなくてもよい。すなわち、第１電極３４が厳密に内管３２の中心に配置されている必要はない。また、筐体３１および内管３２についても、両者間の空間を液体がスムーズに流通する限りにおいて、これらは必ずしも同軸でなくてもよい。また、これらの配管の断面形状が円形または互いに相似な形状である必要は必ずしもなく、適宜改変可能である。

また、上記実施形態では、筐体３１への内管３２の取り付けおよび内管３２への第１電極３４の取り付けに際して弾性材料によるシール栓が使用されているため、プラズマ発生部３の分解が容易である。しかしながら、これに代えて、部材間が例えば接着や溶接によって恒久的に固着されていてもよい。

また、上記実施形態のプラズマ発生部３は、筐体３１が液体を流通させる配管の一部としての機能も有するものである。しかしながら、本発明における「筐体」は、このような構成に限定されず、例えば内部空間に液体を貯留する容器としての機能を有するものであってもよい。

また、上記実施形態では、プラズマ発生部３が略鉛直方向の管軸ＡＸを有する管状を有しているが、これに限定されない。例えば、図２の構造を有するプラズマ発生部３を管軸ＡＸが水平になるように配置した場合でも、良好にプラズマを発生させることができる。プラズマ発生部中の液体および気体が圧送されている場合、内管の開口から吐出された気体が形成する気泡は、主としてその吐出方向および周囲の液体の圧送方向に沿った方向に延びる。したがって、気泡の延びる方向と第１電極の突出部位の延設方向とが概ね同じであれば上記と同様の効果が得られる。

上記実施形態では、内管３２の延設方向を上下方向とし、その上端３２ａに設けられた上向きの開口３２ｂから気体を吐出し、さらに第１電極３４を開口３２ｂから上向きに突出させる構造としている。このため、突出部位３４ｂの延設方向が、液体Ｌおよび気体Ｇの流通方向のみならず液体Ｌ中で気体Ｇに作用する浮力の方向とも一致することとなり、気泡が突出部位３４ｂの周囲を取り囲むように発生する確率をより高めることができる。これにより、液中でのプラズマ発生領域を広くして、より効率の良いプラズマ発生が可能となっている。

また、上記実施形態は、本発明に係る「液中プラズマ発生装置」であるプラズマ発生部３を循環する液体の流路上に設けた「液体処理装置」であるが、本発明の液中プラズマ発生装置は、それ自身が液中に活性種を溶け込ませて処理液を生成する機能を有するものであり、その適用範囲はこのような循環経路を有するものに限定されるものではない。例えば、プラズマ発生部３の上部から出力される処理済みの液体が直接外部に取り出されて処理液として使用に供される態様でもよい。また、使用される液体および気体についても上記に限定されず任意である。

以上、具体的な実施形態を例示して説明してきたように、本発明に係る液中プラズマ発生装置は、開口が上向きに開口し、突出部位が開口から上向きに突出し、第２電極の導体部が突出部位を側方から取り囲む構成であってよい。このような構成によれば、開口から吐出された気体が液体中で上向きに流れるため、上向きに延びる突出部位の周囲に多くの気体を通過させてプラズマ発生の確率を高くすることができる。

また例えば、平面視において突出部位が開口の内部にあり、第２電極が開口の周囲を取り囲む構成であってよい。また、側面視において、突出部位と第２電極とが少なくとも一部で互いに重なる構造であってよい。このような構成によれば、開口から吐出される気体の多くが、プラズマ発生場が周囲に形成される突出部位の周囲を通過して液中に導入されることとなるため、プラズマ発生効率を高めることができる。

また、第１電極は、気体供給管の管軸に沿って延設された棒状体であり、該棒状体の側面と気体供給管の内側面との間の空間が気体の流路となった構成であってよい。このような構成によれば、断面が環状の流路を通って気体がスムーズに流れ、第１電極はこの流路に取り囲まれた構造となるため、突出部位の周囲に安定的に気泡を形成することができる。

また、筐体は誘電体により形成された筒状体を有し、気体供給管が筒状体の内部で筒状体と同軸に設けられて、筒状体の内側面と気体供給管との間の空間に液体が保持される構成であってよい。このような構成によれば、気体供給管から供給される気体が全て周囲の液体に触れることとなるので、気体中でのプラズマ発生により生成される活性種を効率よく液体中に溶け込ませることができる。

また、筐体は誘電体により形成された筒状体を有し、第２電極は筒状体の外周面に設けられた構成であってよい。このような構成によれば、筐体の壁面によって第２電極を筐体内の液体から隔離することができ、第２電極が液体に接することを回避することができる。

また、第２電極の導体部は、筒状体の外周面を取り巻く環状の導体であってよい。このような構成によれば、第１電極の周囲に、平面視において周方向に略均一な電界を発生させることができ、第１電極の周囲で均一なプラズマを発生させることができる。

また、第１電極、気体供給管、筒状体および第２電極は、鉛直軸に対し同軸に設けられた構成であってよい。このような構成によれば、第１電極と気体供給管との間の気体の流路および気体供給管と筒状体との間の液体の流路が鉛直方向において一定の断面形状を有することとなり、気体および液体をそれぞれの流路においてスムーズに流通させることが可能となる。これにより第１電極の突出部位の周囲における液体および気体の流れが安定し、この領域におけるプラズマ発生を安定化させることができる。また、第１電極と第２電極とが同軸配置されることで、第１電極の周囲に形成される電界を均一にすることができる。

また、筐体に、突出部位よりも下方で内部空間に液体を導入する導入口と、突出部位よりも上方で液体を外部へ送出する送出口とが設けられた構成であってよい。このような構成によれば、筐体内で液体は上向きに流れ、プラズマ活性種を含んで液中を上昇する気泡と液体とが長い時間接することとなるので、活性種を効率よく液中に取り込むことができる。

また、本発明に係る液体処理装置においては、例えば、液体供給部は、貯留部に貯留された液体を導入口に供給する構成であってよい。このような構成によれば、液中プラズマ発生装置を通過する液体が循環することで、液中の活性種の濃度を高めることが可能となる。

この発明は、液中プラズマ発生技術ならびに当該技術を用いて活性種を含有する処理液を生成する技術全般に適用することができる。

１ 液体処理装置
２ 貯留槽（貯留部）
３ プラズマ発生部（液中プラズマ発生装置）
４ 交流電源（電圧印加部）
６ ポンプ（液体供給部）
３１ 筐体
３２ 内管（気体供給管）
３２ｂ 開口
３４ 第１電極
３４ｂ 突出部位
３６ 第２電極
３４１ 導体部
３４２ 表面層
Ｇ 気体
Ｌ 液体

Claims (12)

1. 内部空間に液体を保持する筐体と、
   前記内部空間内に開口を有し該開口から前記液体中に気体を吐出する気体供給管と、
   前記気体供給管内から前記開口を介して前記内部空間に突出し、該突出部位は導体部が誘電体により被覆された構造を有する第１電極と、
   前記第１電極の前記突出部位を取り囲んで設けられ、誘電体によって前記液体から隔離された導体部を有する第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加する電圧印加部と
   を備え、
   前記突出部位と前記第２電極との間の空間が、前記開口から吐出された前記気体が流通する流路である液中プラズマ発生装置。
2. 前記開口が上向きに開口し、前記突出部位が前記開口から上向きに突出し、前記第２電極の前記導体部が前記突出部位を側方から取り囲む請求項１に記載の液中プラズマ発生装置。
3. 平面視において、前記突出部位が前記開口の内部にあり、前記第２電極が前記開口の周囲を取り囲んでいる請求項２に記載の液中プラズマ発生装置。
4. 側面視において、前記突出部位と前記第２電極とが少なくとも一部で互いに重なる請求項１ないし３のいずれかに記載の液中プラズマ発生装置。
5. 前記第１電極は、前記気体供給管の管軸に沿って延設された棒状体であり、該棒状体の側面と前記気体供給管の内側面との間の空間が前記気体の流路となっている請求項１ないし４のいずれかに記載の液中プラズマ発生装置。
6. 前記筐体は誘電体により形成された筒状体を有し、前記気体供給管が前記筒状体の内部で前記筒状体と同軸に設けられて、前記筒状体の内側面と前記気体供給管との間の空間に前記液体が保持される請求項１ないし５のいずれかに記載の液中プラズマ発生装置。
7. 前記筐体は誘電体により形成された筒状体を有し、前記第２電極は前記筒状体の外周面に設けられた請求項１ないし５のいずれかに記載の液中プラズマ発生装置。
8. 前記第２電極の前記導体部は、前記筒状体の外周面を取り巻く環状の導体である請求項６または７に記載の液中プラズマ発生装置。
9. 前記第１電極、前記気体供給管、前記筒状体および前記第２電極が鉛直軸に対し同軸に設けられた請求項１ないし８のいずれかに記載の液中プラズマ発生装置。
10. 前記筐体には、前記突出部位よりも下方で前記内部空間に前記液体を導入する導入口と、前記突出部位よりも上方で前記液体を外部へ送出する送出口とが設けられている請求項１ないし９のいずれかに記載の液中プラズマ発生装置。
11. 活性種を含有する処理液を生成する液体処理装置であって、
    請求項１０に記載の液中プラズマ発生装置と、
    前記導入口に前記液体を供給する液体供給部と、
    前記送出口から送出される前記液体を前記処理液として貯留する貯留部と
    を備える液体処理装置。
12. 前記液体供給部は、前記貯留部に貯留された前記液体を前記導入口に供給する請求項１１に記載の液体処理装置。