JP2019057477A - Plasma generator - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、プラズマ発生装置に関する。 The present disclosure relates to a plasma generator.
特許文献1及び特許文献2には、液体中に気体を供給し、供給した気体内でプラズマを生成する液体処理装置が記載されている。 Patent Document 1 and Patent Document 2 describe a liquid processing apparatus that supplies a gas into a liquid and generates plasma in the supplied gas.
しかし、上記従来の液体処理装置では、気体を液体中に導入するための筒の周囲に、カルマン渦又は水の巻き込みが発生する。このため、導入した気体によって形成される気泡の大きさにバラツキが発生することで、放電が安定しないという問題がある。 However, in the conventional liquid processing apparatus, Karman vortex or water entrainment occurs around the cylinder for introducing the gas into the liquid. For this reason, there is a problem that the discharge is not stable due to variations in the size of bubbles formed by the introduced gas.
本開示は、放電を安定させることができるプラズマ発生装置を提供する。 The present disclosure provides a plasma generator that can stabilize discharge.
本開示の一態様に係るプラズマ発生装置は、液体を流すための流路内に少なくとも一部が配置される第1の電極及び第2の電極と、前記流路内に位置する開口を端面に有し、前記第1の電極の側面を、気体を通過させるための空間を介して囲むように配置された筒状の絶縁体と、前記第1の電極と前記第2の電極との間に電圧を印加することで、プラズマを発生させる電源とを備え、前記液体は、前記気体が前記開口を通過する方向に沿って前記絶縁体の外側を流れる。 A plasma generator according to one embodiment of the present disclosure includes a first electrode and a second electrode at least a part of which are disposed in a flow channel for flowing a liquid, and an opening located in the flow channel at an end surface. A cylindrical insulator disposed so as to surround the side surface of the first electrode with a space for allowing gas to pass between the first electrode and the second electrode. And a power source that generates plasma by applying a voltage, and the liquid flows outside the insulator along a direction in which the gas passes through the opening.
本開示によれば、放電を安定させることができるプラズマ発生装置を提供することができる。 According to the present disclosure, it is possible to provide a plasma generator that can stabilize discharge.
(本開示の基礎となった知見)
従来、液体処理装置では、電極を覆う筒状の絶縁体の内部に気体を供給し、供給した気体によって形成される気泡内で放電させることで、液体中でプラズマを発生させる。このような気体導入型の水中プラズマデバイスでは、気体を導入するための筒が水の流れを塞き止める向きに設置されている。このため、筒から水中に気体を放出させた場合に、カルマン渦又は水の巻き込みが発生する。これにより、気泡の大きさにバラツキが発生することで、放電が安定しない。具体的には、気泡の大きさにバラツキが発生することで、電極から気液界面までの距離が安定せず、放電距離が変わることで放電が安定しない。
(Knowledge that became the basis of this disclosure)
Conventionally, in a liquid processing apparatus, a gas is supplied into a cylindrical insulator covering an electrode, and plasma is generated in the liquid by discharging in a bubble formed by the supplied gas. In such a gas introduction type underwater plasma device, a cylinder for introducing a gas is installed in a direction to block the flow of water. For this reason, when gas is discharged from the cylinder into the water, Karman vortex or water entrainment occurs. As a result, the discharge is not stable due to variations in the size of the bubbles. Specifically, when the bubble size varies, the distance from the electrode to the gas-liquid interface is not stable, and the discharge is not stable by changing the discharge distance.
そこで、本発明者らは、放電を安定させることができるプラズマ発生装置を提供すべく、鋭意研究を行った。その結果、筒状の絶縁体から放出される気体の向きと液体の流れる向きとを略同じにすることで放電が安定することを見出した。 Therefore, the present inventors have intensively studied to provide a plasma generator capable of stabilizing discharge. As a result, it was found that the discharge is stabilized by making the direction of the gas discharged from the cylindrical insulator substantially the same as the direction of flow of the liquid.
具体的には、筒状の絶縁体から放出される気体の向きと液体の流れる向きとを略同じにすることによって、気体が途切れることなく放出される。このため、電極から気液界面までの距離が大きく変化することを抑制することができる。このように、筒状の絶縁体から放出される気体の向きと液体の流れる向きとを略同じにすることによって、放電を安定させることができる。 Specifically, the gas is released without interruption by making the direction of the gas released from the cylindrical insulator substantially the same as the direction in which the liquid flows. For this reason, it can suppress that the distance from an electrode to a gas-liquid interface changes greatly. Thus, the discharge can be stabilized by making the direction of the gas discharged from the cylindrical insulator substantially the same as the direction in which the liquid flows.
そこで、本開示の一態様に係るプラズマ発生装置は、液体を流すための流路内に少なくとも一部が配置される第1の電極及び第2の電極と、前記流路内に位置する開口を端面に有し、前記第1の電極の側面を、気体を通過させるための空間を介して囲むように配置された筒状の絶縁体と、前記第1の電極と前記第2の電極との間に電圧を印加することで、プラズマを発生させる電源とを備え、前記液体は、前記気体が前記開口を通過する方向に沿って前記絶縁体の外側を流れる。 Therefore, a plasma generation device according to one embodiment of the present disclosure includes a first electrode and a second electrode that are at least partially disposed in a flow channel for flowing a liquid, and an opening located in the flow channel. A cylindrical insulator disposed on an end face so as to surround a side surface of the first electrode with a space for allowing gas to pass therethrough, and the first electrode and the second electrode. A power source for generating plasma by applying a voltage therebetween, and the liquid flows outside the insulator along a direction in which the gas passes through the opening.
これによれば、筒状の第1の絶縁体の開口から放出される気体の向きと液体の流れる向きとを略同じにすることができるので、放電の安定化を実現できる。なお、第2の電極は第1の電極の上流及び下流のいずれに設置された場合でも、効果は同じである。 According to this, since the direction of the gas discharged from the opening of the cylindrical first insulator and the direction in which the liquid flows can be made substantially the same, the stabilization of the discharge can be realized. The effect is the same whether the second electrode is installed upstream or downstream of the first electrode.
ここで、本開示の一態様に係るプラズマ発生装置は、さらに、前記空間に前記気体を供給することで、前記気体を前記開口から前記液体中に放出する供給装置を備えていてもよい。 Here, the plasma generation device according to an aspect of the present disclosure may further include a supply device that discharges the gas from the opening into the liquid by supplying the gas to the space.
これによれば、気流ポンプ等の供給装置によって空間に気体を供給することができるので、気泡を連続的に発生させることができる。 According to this, since gas can be supplied to space by supply devices, such as an airflow pump, a bubble can be generated continuously.
ここで、本開示の一態様に係るプラズマ発生装置は、さらに、前記流路を形成している構造体を備えてもよい。 Here, the plasma generator according to one embodiment of the present disclosure may further include a structure that forms the flow path.
これによれば、第1の電極及び絶縁体と流路との位置関係を予め固定しておくことができるので、容易に放電を安定させることができる。 According to this, since the positional relationship between the first electrode and the insulator and the flow path can be fixed in advance, the discharge can be easily stabilized.
ここで、前記流路は、仮想的な直線に沿って延びる第1の流路を含み、前記開口は、前記第1の流路内に位置していてもよい。 Here, the flow path may include a first flow path that extends along an imaginary straight line, and the opening may be located in the first flow path.
これによれば、開口が位置する第1の流路が直線に沿って延びるので、開口の近傍で液体の流れが安定する。したがって、気泡の形状が更に安定するので、電極から気液界面までの距離が安定し、放電を更に安定させることができる。 According to this, since the first flow path where the opening is located extends along a straight line, the flow of the liquid is stabilized in the vicinity of the opening. Therefore, since the bubble shape is further stabilized, the distance from the electrode to the gas-liquid interface is stabilized, and the discharge can be further stabilized.
ここで、前記開口は、前記直線に直交していてもよい。 Here, the opening may be orthogonal to the straight line.
これによれば、開口から放出される気体の向きと液体の流れる向きとが平行になるので、放出された気体が液体の流れを乱しにくくなる。これにより、電極から気液界面までの距離が安定し、放電を更に安定させることができる。 According to this, since the direction of the gas discharged from the opening and the direction in which the liquid flows are parallel, the released gas is less likely to disturb the flow of the liquid. Thereby, the distance from an electrode to a gas-liquid interface is stabilized, and discharge can be further stabilized.
ここで、前記第1の流路を流れる前記液体と、前記開口を通過する前記気体とは、水平面に対して下向きに流れてもよい。 Here, the liquid flowing through the first flow path and the gas passing through the opening may flow downward with respect to a horizontal plane.
これによれば、第1の絶縁体の開口から放出される気体の向きと液体の流れる向きとを水平面に対して下向きとすることで、重力の影響を正に作用させることができる。そのため、気体を送り出す気流ポンプを設置しなくても、水流の流れによる引き込みにより気体を流すことができる。これにより、プラズマ発生装置の小型化及び軽量化を実現することができる。 According to this, the influence of gravity can be made to act positively by setting the direction of the gas discharged from the opening of the first insulator and the direction of the flow of the liquid downward with respect to the horizontal plane. Therefore, even if it does not install the airflow pump which sends out gas, gas can be flowed by drawing in by the flow of water flow. Thereby, size reduction and weight reduction of a plasma generator are realizable.
ここで、前記直線に平行な面で切断した場合の前記第1の流路の断面形状は、線対称であってもよい。 Here, the cross-sectional shape of the first flow path when cut along a plane parallel to the straight line may be line symmetric.
これによれば、第1の流路の形状が線対称になることで、絶縁体が液体の流れを妨げることが十分に抑制される。このため、気体をスムーズに送り出すことができ、電極から気液界面までの距離が安定し、放電を安定させることができる。 According to this, since the shape of the first flow path is axisymmetric, it is sufficiently suppressed that the insulator prevents the liquid flow. For this reason, gas can be sent out smoothly, the distance from an electrode to a gas-liquid interface can be stabilized, and discharge can be stabilized.
ここで、前記直線に直交する面で切断した場合の前記第1の流路の断面形状は、円形又は円環状であってもよい。 Here, the cross-sectional shape of the first flow path when cut along a plane orthogonal to the straight line may be circular or annular.
これによれば、筒状の絶縁体を中心として第1の流路が偏りなく形成される。具体的には、第1の流路が延びる方向に直交する面における第1の流路の断面が円形になるので、液体の流れを安定させることができる。したがって、電極から気液界面までの距離が安定し、放電を安定させることができる。 According to this, the first flow path is formed without unevenness around the cylindrical insulator. Specifically, since the cross section of the first flow path in a plane orthogonal to the direction in which the first flow path extends is circular, the liquid flow can be stabilized. Therefore, the distance from the electrode to the gas-liquid interface is stabilized, and the discharge can be stabilized.
ここで、前記流路は、さらに、前記第1の流路の上流側に接続された、屈曲した第2の流路を含んでもよい。 Here, the flow path may further include a bent second flow path connected to the upstream side of the first flow path.
これによれば、屈曲した第2の流路によって液体の流れを抑え、第1の流路を流れる液体を安定させることができる。これにより、開口の近傍で乱流が発生するのを抑制することができるので、電極から気液界面までの距離が安定し、放電を安定させることができる。 According to this, the flow of the liquid can be suppressed by the bent second flow path, and the liquid flowing through the first flow path can be stabilized. Thereby, since it can suppress that a turbulent flow generate | occur | produces in the vicinity of opening, the distance from an electrode to a gas-liquid interface is stabilized, and discharge can be stabilized.
ここで、前記第2の流路は、S字状に屈曲していてもよい。 Here, the second flow path may be bent in an S shape.
これによれば、第1の流路を流れる液体を更に安定させることができるので、放電を更に安定させることができる。 According to this, since the liquid flowing through the first flow path can be further stabilized, the discharge can be further stabilized.
以下、本開示の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示す。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等は、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、本開示の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、より望ましい形態を構成する任意の構成要素として説明する。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. Note that each of the embodiments described below shows a specific example of the present disclosure. Numerical values, shapes, materials, constituent elements, arrangement positions and connection forms of constituent elements, and the like shown in the following embodiments are merely examples, and are not intended to limit the present disclosure. In addition, among the constituent elements in the following embodiments, constituent elements that are not described in the independent claims indicating the highest concept of the present disclosure will be described as arbitrary constituent elements that constitute a more desirable form.
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密な寸法を表すものではない。したがって、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、重複する説明を省略又は簡略化する。 Moreover, each figure is a schematic diagram and does not necessarily represent a strict dimension. Accordingly, the scales and the like do not necessarily match in each drawing. Moreover, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected about the substantially same structure, The overlapping description is abbreviate | omitted or simplified.
(実施の形態)
[1.概要]
まず、実施の形態に係るプラズマ発生装置の概要について、図1を用いて説明する。図1は、本実施の形態に係るプラズマ発生装置100の構成例を示すブロック図である。
(Embodiment)
[1. Overview]
First, an outline of a plasma generator according to an embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of a
図1に示すように、プラズマ発生装置100は、液体101内に供給された気体が形成する気泡102中でプラズマ103を発生させる。これにより、プラズマ発生装置100は、液体101内に活性種を発生させる。液体101は、例えば、純水、水道水、雨水又は井戸水などの水(H2O)又は水溶液であるが、これに限らない。
As shown in FIG. 1, the
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(O2−)、一価酸素イオン(O−)又は過酸化水素(H2O2)などが含まれる。これらの活性種によって、液体101に含まれる有害物質の分解又は殺菌などを行うことができる。また、活性種を含む液体101を、他の物質の分解又は殺菌などに利用することもできる。 Examples of the active species include hydroxyl radical (OH), hydrogen radical (H), oxygen radical (O), superoxide anion (O 2− ), monovalent oxygen ion (O − ) or hydrogen peroxide (H 2 O). 2 ) and the like. With these active species, the harmful substances contained in the liquid 101 can be decomposed or sterilized. Further, the liquid 101 containing active species can be used for decomposition or sterilization of other substances.
[2.構成]
次に、プラズマ発生装置100の構成について、図1及び図2を用いて説明する。図2は、本実施の形態に係る第1の電極110の近傍の構成を示す断面図である。具体的には、図2は、第1の電極110の中心軸を通る断面を示している。
[2. Constitution]
Next, the configuration of the
図1に示すように、プラズマ発生装置100は、第1の電極110と、第2の電極120と、絶縁体130と、電源140と、供給ポンプ150と、構造体160と、循環ポンプ170と、制御回路190とを備える。構造体160は、液体101を流すための流路180を形成している。図1に示すように、構造体160は、反応槽161と、処理槽162と、配管163とを含んでいる。
As shown in FIG. 1, the
[2−1.電極]
第1の電極110は、流路180内に少なくとも一部が配置される電極である。第1の電極110は、プラズマ103を発生させるための電極対の一方である。第1の電極110は、反応電極として用いられ、周囲にプラズマ103が生成される。第1の電極110は、陽極として機能する。第1の電極110は、例えば、棒状の電極である。
[2-1. electrode]
The
図2に示すように、第1の電極110は、電極部111と、ネジ部112とを備える。電極部111は、第1の電極110の先端側に設けられた長尺の円柱状の部分である。電極部111は、例えば、タングステンなどの金属材料から形成された金属電極である。なお、電極部111は、アルミニウム、鉄若しくは銅又はこれらの合金などの金属材料を用いて形成されてもよい。
As shown in FIG. 2, the
本実施の形態では、第1の電極110の電極部111が、流路180内に配置されている。電極部111は、図2に示すように、空間132を介して筒状の絶縁体130に囲まれている。電極部111は、供給ポンプ150によって気体が供給されない場合に、絶縁体130の開口131から流入する液体101と接触する。供給ポンプ150によって気体が供給された場合には、供給された気体が空間132を満たすので、電極部111は、供給された気体に覆われて液体101には接触しない。
In the present embodiment, the
本実施の形態では、電極部111と絶縁体130とは、同軸上に配置されている。電極部111と絶縁体130との間には、全周に亘って空間132が設けられている。すなわち、空間132は、幅d1が略均一の円筒状の空間である。幅d1は、第1の電極110の電極部111の側面と絶縁体130の側面との距離であり、1mm以上3mm以下である。
In the present embodiment, the
ネジ部112は、電極部111を支持する金属製の部材である。具体的には、電極部111は、ネジ部112に圧入されることで固定されている。ネジ部112は、電極部111と電気的に接続されており、電源140から受けた電力を電極部111に伝える。
The
ネジ部112は、第1の電極110の後端側に設けられている。ネジ部112の形状は、例えば長尺状の円柱形状である。ネジ部112の直径は、電極部111の直径より大きく、例えば、3mmである。例えば、ネジ部112は、鉄などの、加工が容易な金属材料を用いて形成される。
The
ネジ部112は、保持部134に保持されている。具体的には、ネジ部112の外側面には雄ねじが設けられている。当該雄ねじが、保持部134に設けられた雌ねじと螺合することで、ネジ部112は、保持部134に保持されている。
The
ネジ部112には、供給ポンプ150に接続された貫通孔114が設けられている。貫通孔114は、空間132と連通している。このため、供給ポンプ150から供給された気体は、貫通孔114及び空間132を介して、絶縁体130の開口131から流路180を流れる液体101内に放出される。
The threaded
本実施の形態では、図2に示すように、ネジ部112には、2つの貫通孔114が設けられている。これにより、貫通孔114での気体の圧損が抑制される。なお、貫通孔114の数は、1つのみ又は3以上でもよい。
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the threaded
図2に示すように、第1の電極110の端面113は、開口131の開口面より後退している。このときの後退量d2は、第1の電極110の端面113の近傍に発生するプラズマ103と絶縁体130の内側面との接触が抑制される範囲である。具体的には、第1の電極110の端面113の後退量d2は、0mm以上3mm以下である。
As shown in FIG. 2, the
後退量d2は、ネジ部112を軸周りに回転させることで調整することができる。ネジ部112が回転することで、電極部111とネジ部112とが連動して、保持部134に固定された絶縁体130に対して、軸方向に移動する。これにより、端面113の位置を可変にすることができる。
The retraction amount d2 can be adjusted by rotating the
[2−2.第2の電極]
第2の電極120は、流路180内に少なくとも一部が配置される電極である。なお、図1に示す例では、第1の電極110及び第2の電極120の双方が反応槽161に固定されているが、これに限らない。例えば、第2の電極120は、処理槽162又は配管163に固定されていてもよい。
[2-2. Second electrode]
The
第2の電極120は、プラズマ103を発生させるための電極対の他方である。第2の電極120は、陰極として機能する。第2の電極120は、液体101に接触している。
The
第2の電極120は、例えば、棒状の電極である。第2の電極120の具体的な構成は、例えば、第1の電極110と同じであるが、これに限らない。
The
[2−3.絶縁体]
絶縁体130は、第1の電極110の側面を、空間132を介して囲むように配置されている。具体的には、絶縁体130は、第1の電極110の電極部111の外周に通気用の空間132を設けるように、反応槽161に取り付けられる。
[2-3. Insulator]
The
図2に示すように、絶縁体130は、液体101に接する端面133に開口131が設けられた筒状の絶縁体である。本実施の形態では、絶縁体130は、第1の電極110の電極部111の側面を囲む長尺の円筒体である。絶縁体130は、反応槽161の側壁を貫通し、かつ、開口131が流路180内に位置するように反応槽161に固定されている。具体的には、絶縁体130は、保持部134によって固定されている。例えば、絶縁体130及び第1の電極110は、その軸方向が鉛直方向に平行になるように配置されている。
As shown in FIG. 2, the
絶縁体130の内径は、電極部111の外径より大きい。また、電極部111と絶縁体130とが同軸上に配置されている。このため、空間132は、電極部111の全周に亘って円筒状に形成される。空間132によって、電極部111は、絶縁体130に接触しない。例えば、絶縁体130の内径が3mmであり、電極部111の外径が0.8mmである。これにより、空間132の幅d1は、1.1mmとなる。
The inner diameter of the
空間132に供給された気体は、開口131を介して反応槽161内の液体101中へ放出される。放出された気体は、気泡102となって液体101中に拡散される。このとき、開口131が、気泡の大きさの上限を決定する機能を有する。
The gas supplied to the
絶縁体130は、例えば、アルミナセラミックから構成される。あるいは、絶縁体130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構成されてもよい。
The
なお、絶縁体130は、円筒体に限らず角筒体でもよい。また、絶縁体130は、保持部134に保持されているが、反応槽161の壁面に直接固定されていてもよい。
The
[2−4.電源]
電源140は、第1の電極110と第2の電極120とからなる電極対の間に所定の電圧を印加する昇圧トランスを有する。昇圧トランスから電極対の間に電圧を印加することによって、電極対間にプラズマ103を発生させる。プラズマ103の発生により液体101中にOHラジカルなどの種々の活性種が発生する。具体的には、電源140は、第1の電極110と第2の電極120との間にパルス電圧又は交流電圧を印加する。
[2-4. Power supply]
The
例えば、印加する電圧は、2kV/cm〜50kV/cm、1Hz〜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110と第2の電極120との間に流れる電流値は、例えば、1mA〜3Aである。ここでは、一例として、電源140は、周波数が30kHzで、ピーク電圧が4kVの正のパルス電圧を印加する。
For example, the applied voltage is a positive high voltage pulse of 2 kV / cm to 50 kV / cm and 1 Hz to 100 kHz. The voltage waveform may be, for example, a pulse shape, a sine half waveform, or a sine waveform. Moreover, the value of the current flowing between the
[2−5.供給ポンプ]
供給ポンプ150は、第1の電極110と絶縁体130との間の空間132に気体を供給することで、気体を開口131から液体101中に放出する供給装置の一例である。これにより、絶縁体130及び第1の電極110の先端部分に気泡102を連続的に発生させる。供給ポンプ150は、例えば、周囲の空気を取り込んで、ネジ部112の貫通孔114を介して空間132に空気を供給する。なお、供給ポンプ150は、空気に限らず、アルゴン、ヘリウム、窒素ガス又は酸素ガスなどを供給してもよい。
[2-5. Supply pump]
The
なお、気泡102がなくても電極対の間にはプラズマ103が発生するが、気泡102が存在することによってプラズマ103による活性種の発生効率を高めることができる。また、気体が供給されずに、第1の電極110及び第2の電極120からなる電極対の間が液体101内に配置されるとき、電極対は抵抗性負荷となる。第1の電極110及び第2の電極120の少なくとも一方が液体101内の気泡にあるとき、電極対は容量性負荷となる。
Note that the
[2−6.流路及び構造体]
構造体160は、液体101を流すための流路180を形成している。構造体160は、反応槽161と、処理槽162と、配管163とを含んでいる。流路180は、反応槽161と、処理槽162と、配管163とによって形成されている。
[2-6. Channel and structure]
The structure 160 forms a
本実施の形態では、流路180は環状に形成されている。液体101は、流路180内を循環している。具体的には、液体101は、反応槽161、処理槽162及び配管163を順に流れている。なお、図1では、流路180を流れる液体101の方向を矢印で表している。液体101は、循環ポンプ170によって流路180を循環する。
In the present embodiment, the
なお、流路180には、分岐路が設けられていてもよい。分岐路には、開閉可能な弁が配置されている。弁を操作することで、必要に応じて流路180を流れる液体101を外部に取り出すことができる。あるいは、流路180内に、新たな液体を追加することができる。
The
反応槽161は、液体101の流路180を形成する構造体160の一部である。反応槽161の内部には、第1の電極110及び第2の電極120の少なくとも一部が配置されている。反応槽161は、例えばU字型の管である。U字の右側の部分(図1における左側)に第1の電極110及び絶縁体130が配置されており、左側の部分(図1における右側)に第2の電極120が配置されている。
The
処理槽162は、流路180を形成する構造体160の一部であり、例えば、液体101を貯めるための容器である。処理槽162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162は、例えば上部が開放されたトレイなどでもよい。
The
処理槽162は、電圧を印加する前はプラズマ液の原液としての純水を液体101として貯めている。処理槽162は、電圧を印加することによるプラズマ103の発生後は、プラズマ処理された液体101を貯める。
The
配管163は、流路180を形成する構造体160の一部であり、反応槽161と処理槽162とを接続する。配管163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。あるいは、配管163は、断面U字状の溝などでもよい。
The pipe 163 is a part of the structure 160 that forms the
反応槽161、処理槽162及び配管163はそれぞれ、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161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。
Each of the
[2−7.循環ポンプ]
循環ポンプ170は、配管163を介して反応槽161と処理槽162との間で液体101を循環させる送液装置の一例である。本実施の形態では、循環ポンプ170は、配管163の途中に配置されている。
[2-7. Circulation pump]
The
[2−8.制御回路]
制御回路190は、例えばメモリに記録されたプログラムを実行することにより、プラズマ発生装置100の全体を制御する。制御回路190は、例えば中央演算処理装置(CPU:Central Processing Unit)又はマイクロコンピュータなどの集積回路で実現される。
[2-8. Control circuit]
The
具体的には、制御回路190は、電源140、供給ポンプ150及び循環ポンプ170を制御する。例えば、制御回路190は、電源140、供給ポンプ150及び循環ポンプ170の各々の動作タイミング、電源140が印加する電圧の大きさ及び周波数、供給ポンプ150による気体の供給量、並びに、循環ポンプ170による液体101の流速などを調整する。
Specifically, the
例えば、制御回路190は、ユーザからの開始操作を受け付けた場合に、又は、予め定められたスケジュール情報に示される開始時刻になった場合に、電源140、供給ポンプ150及び循環ポンプ170をそれぞれ動作させる。あるいは、制御回路190は、常に液体101を循環させておいてもよく、プラズマ処理を開始する場合に、供給ポンプ150及び電源140をこの順で動作させてもよい。
For example, the
[3.動作]
続いて、本実施の形態に係るプラズマ発生装置100の動作について説明する。
[3. Operation]
Subsequently, the operation of the
本実施の形態に係るプラズマ発生装置100では、循環ポンプ170が液体101を循環させながら、供給ポンプ150が気体を供給する。供給ポンプ150によって供給された気体は、ネジ部112の貫通孔114を介して空間132に供給される。気体が供給される前に空間132を満たしていた液体101は、開口131を介して、反応槽161内の液体101中に放出される。例えば、気体の流量は、0.8L/minである。気体は、空間132を満たすことで第1の電極110の電極部111を覆う。これにより、第1の電極110は、液体101から絶縁される。
In
また、電源140は、第1の電極110と第2の電極120との間に電圧を印加する。例えば、周波数が30kHz、ピーク電圧が4kVの正のパルス電圧を印加する。これにより、第1の電極110の端面113と気液界面との間で放電が発生し、第1の電極110の電極部111を覆う気泡102内でプラズマ103が生成される。プラズマ103によって活性種が生成され、生成された活性種は、液体101に取り込まれる。液体101は循環しているので、活性種が液体101の全体に行き渡らせることができる。
The
[4.流路の形状と絶縁体の配置]
ここで、流路180の形状と、流路180に対する絶縁体130の配置とについて説明する。
[4. Flow path shape and insulator arrangement]
Here, the shape of the
流路180は、図2の一点鎖線で示す軸Pに沿って延びる第1の流路181を含んでいる。軸Pは、仮想的な直線に沿って延びる軸であり、例えば鉛直下方に延びている。第1の流路181には、絶縁体130の開口131が位置している。開口131は、軸Pに直交している。
The
本実施の形態では、液体101は、気体が絶縁体130の開口131を通過する方向に沿って絶縁体130の外側を流れる。図2には、液体101の流れる方向を実線の矢印で示し、気体が開口131を通過する方向を破線の矢印で表している。
In the present embodiment, the liquid 101 flows outside the
図2に示すように、第1の流路181を液体101が流れる方向(実線の矢印)と、開口131を気体が通過する方向(破線の矢印)とが同じである。具体的には、第1の流路181を形成している反応槽161の内壁と、絶縁体130とは互いに平行に配置されている。図2に示すように、第1の流路181は、軸Pに平行な面で切断した場合の断面形状が線対称である。線対称の対称軸は、図2の一点鎖線で示す軸Pである。
As shown in FIG. 2, the direction in which the liquid 101 flows through the first flow path 181 (solid arrow) is the same as the direction in which gas passes through the opening 131 (broken arrow). Specifically, the inner wall of the
ここで、第1の流路181は、U字型の反応槽161の右側の部分に形成されている。具体的には、反応槽161の第1の流路181を形成している部分の形状は、軸Pを中心軸とする円筒形状である。
Here, the
図3は、図2のIII−III線における第1の電極110の近傍の断面図である。図3に示すように、円筒状の絶縁体130の中心軸と反応槽161の円筒部分の中心軸とは、軸Pに一致している。これにより、絶縁体130の外側には、軸Pに直交する面で切断した場合の断面が円環形状の第1の流路181が形成される。第1の流路181の断面形状は、軸Pを中心に均等になる。このため、第1の流路181を流れる液体101の流れが安定する。
3 is a cross-sectional view of the vicinity of the
なお、円筒状の絶縁体130の中心軸と、円柱状の電極部111の中心軸とも、軸Pに一致している。これにより、電極部111の側面に沿って空間132を流れる気体の流れが安定する。
Note that the central axis of the
また、開口131を通過する気体は、液体101の流れに沿って第1の流路181内を進行する。このため、図2に示すように、開口131を通過した気体と液体101とは、同じ方向に並んで進むので、液体101に乱流が発生しにくくなる。
Further, the gas passing through the
本実施の形態では、第1の流路181を流れる液体101と、開口131を通過する気体とは、水平面に対して下向きに流れる。例えば、液体101及び気体はいずれも鉛直下方に流れる。つまり、軸Pは鉛直方向に相当する。これにより、重力を利用して液体をスムーズに流すことができるので、絶縁体130の内部への液体101の巻き込みなどが抑制され、乱流の発生をより少なくすることができる。
In the present embodiment, the liquid 101 flowing through the
[5.効果など]
図4は、本実施の形態に係るプラズマ発生装置100を動作させたときの消費電力の時間変化を示すグラフである。図4において、横軸は、電極対に電圧を印加させてプラズマを発生させてからの経過時間[秒]を示している。縦軸は、電源140が消費した消費電力[W]を示している。
[5. Effect etc.]
FIG. 4 is a graph showing a change in power consumption over time when the
図4では、実施例と比較例との各々の消費電力の時間変化を示している。実施例は、図2及び図3で示したように、気体が開口131を通過する方向と、液体101が開口131の近傍を流れる方向とが略同じである場合である。実施例では、筒状の絶縁体130の中心軸と第1の流路181の延びる方向とが略平行である。
In FIG. 4, the time change of each power consumption of an Example and a comparative example is shown. In the embodiment, as shown in FIGS. 2 and 3, the direction in which the gas passes through the
比較例は、気体が開口131を通過する方向と、液体101が開口131の近傍を流れる方向とが略直交している場合である。比較例では、筒状の絶縁体130の中心軸と第1の流路181の延びる方向とが略直交している。なお、実施例及び比較例において、絶縁体130と第1の流路181との位置関係が異なる点を除いて、その他の動作条件は同じである。
In the comparative example, the direction in which the gas passes through the
図4に示すように、動作時間が同じ時間である場合、実施例では、比較例よりも消費電力が抑制されている。また、実施例における消費電力の変動幅xは、比較例に係る消費電力の変動幅yよりも小さく抑制されている。さらに、比較例では、時間が経過した場合に、消費電力が徐々に上昇している。これに対して、実施例では、時間が経過した場合の、消費電力の上昇が抑制されている。 As shown in FIG. 4, when the operation time is the same time, the power consumption is suppressed in the embodiment as compared with the comparative example. In addition, the fluctuation range x of the power consumption in the example is suppressed to be smaller than the fluctuation range y of the power consumption according to the comparative example. Further, in the comparative example, the power consumption gradually increases as time elapses. On the other hand, in the embodiment, an increase in power consumption when time elapses is suppressed.
以上のように、本実施の形態に係るプラズマ発生装置100によれば、筒状の絶縁体130の開口131から放出される気泡102が途切れにくく、液体101の流れに沿って流れやすくなる。また、プラズマ発生装置100によれば、開口131の近傍で液体101の乱流が発生しにくくなる。これにより、第1の電極110から気液界面までの距離が安定するので、図4に示すように、放電を安定させることができる。
As described above, according to the
(変形例)
続いて、実施の形態の2つの変形例1及び2について説明する。変形例1及び2では、実施の形態と比較して、絶縁体130の開口131の近傍の流路の形状が相違する。以下の説明において、実施の形態との相違点を中心に説明し、共通点の説明を省略又は簡略化する。
(Modification)
Subsequently, two modifications 1 and 2 of the embodiment will be described. In the modified examples 1 and 2, the shape of the flow path in the vicinity of the
[変形例1]
まず、変形例1について、図5及び図6を用いて説明する。
[Modification 1]
First, Modification 1 will be described with reference to FIGS. 5 and 6.
図5は、本変形例に係るプラズマ発生装置200の構成例を示すブロック図である。図6は、本変形例に係るプラズマ発生装置200の第1の電極110の近傍の構成を示す断面図である。
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration example of the
図5に示すように、プラズマ発生装置200は、実施の形態1に係るプラズマ発生装置100と比較して、反応槽161を有する構造体160の代わりに、反応槽261を有する構造体260を備える点が相違する。反応槽261は、反応槽161と比較して、U字状の右側の部分の形状が相違している。
As shown in FIG. 5,
本実施の形態では、液体101は、気体が絶縁体130の開口131を通過する方向に沿って絶縁体130の外側を流れている。図6には、液体101の流れる方向を実線の矢印で示し、気体が開口131を通過する方向を破線の矢印で表している。
In the present embodiment, the liquid 101 flows outside the
流路280は、図6の一点鎖線で示す軸Pに沿って延びる第1の流路281を含んでいる。第1の流路281には、絶縁体130の開口131が位置している。開口131は、軸Pに直交している。
The
図6に示すように、第1の流路281を流れる液体101と、開口131を通過する気体とは、軸Pに沿った方向に流れる。第1の流路281は、軸Pに平行な面で切断した場合の断面形状が線対称である。線対称の対称軸は、図2の一点鎖線で示す軸Pである。
As shown in FIG. 6, the liquid 101 flowing through the
ここで、第1の流路281は、U字型の反応槽261の右側の部分に形成されている。具体的には、反応槽261の第1の流路281を形成している部分の形状は、円錐台筒状である。
Here, the
円筒状の絶縁体130の中心軸と反応槽261の円錐台筒状の部分の中心軸とは、軸Pに一致している。これにより、絶縁体130の外側には、軸Pに直交する面で切断した場合の断面が円環形状の第1の流路281が形成される。なお、図6のIII−III線で切断した断面は、図3で示した断面と同様である。第1の流路281の断面形状は、軸Pを中心に均等になる。このため、第1の流路281を流れる液体101の流れが安定する。
The central axis of the
また、開口131を通過する気体は、液体101の流れに沿って第1の流路281内を進行する。このため、図6に示すように、開口131を通過した気体と液体101とは、同じ方向に並んで進むので、液体101に乱流が発生しにくくなる。
Further, the gas passing through the
以上のように、本変形例に係るプラズマ発生装置200によれば、開口131の近傍で液体101の乱流が発生しにくくなる。これにより、第1の電極110から気液界面までの距離が安定するので、放電を安定させることができる。
As described above, according to the
[変形例2]
次に、変形例2について、図7を用いて説明する。図7は、本変形例に係るプラズマ発生装置の第1の電極110の近傍の構成を示す断面図である。図7では、液体101が流れる方向を実線の矢印で表し、気体が流れる方向を破線の矢印で表している。
[Modification 2]
Next, Modification 2 will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view showing the configuration in the vicinity of the
本変形例に係るプラズマ発生装置では、図7に示す形状を有する反応槽360に、第1の電極110及び絶縁体130が配置されている。反応槽360は、液体101の流路380を形成する構造体の一例である。反応槽360は、例えば、図1などに示す処理槽162及び配管163と接続されており、液体101の循環経路を形成している。
In the plasma generating apparatus according to this modification, the
反応槽360が形成している流路380は、第1の流路381と、第2の流路382とを含んでいる。第2の流路382は、第1の流路381の上流側に接続されている。
A
第1の流路381は、仮想的な直線に沿って延びている。具体的には、第1の流路381は、実施の形態に係る第1の流路181と同様である。例えば、図7のIII−III線における断面は、図3に示す断面と同様である。
The
第2の流路382は、屈曲している。具体的には、第2の流路382は、S字状に屈曲している。液体101が流れる方向に対して直交する面で切断したときの第2の流路382の断面の形状は、円形であり、任意の位置において略同じ面積である。例えば、第2の流路382は、円筒状の配管をS字状に屈曲させることで形成されている。
The
本変形例に係るプラズマ発生装置によれば、直線状の第1の流路381の上流側に屈曲した第2の流路382が接続されている。このため、液体101が流路380内を流れる場合に、液体101は、絶縁体130の開口131が位置する第1の流路381に到達する前に、第2の流路382を通過する。第2の流路382が屈曲していることで、液体101の流れが安定する。これにより、液体101は、第1の流路381を均等な速さで流れるので、絶縁体130の開口131の近傍で乱流が発生するのを抑制することができる。
According to the plasma generator according to this modification, the
以上のことから、本変形例に係るプラズマ発生装置によれば、放電を更に安定させることができる。 From the above, according to the plasma generator according to this modification, the discharge can be further stabilized.
(他の実施の形態)
以上、1つ又は複数の態様に係るプラズマ発生装置について、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。
(Other embodiments)
As mentioned above, although the plasma generator which concerns on the one or several aspect was demonstrated based on embodiment, this indication is not limited to these embodiment. Unless it deviates from the main point of this indication, the form which carried out various deformation | transformation which those skilled in the art thought to this embodiment, and the structure constructed | assembled combining the component in different embodiment is also included in the scope of this indication. It is.
例えば、上記の実施の形態では、絶縁体の開口の近傍において、液体が鉛直下方に流れる例を示したが、これに限らない。液体は、水平面に対して斜め下方に流れてもよい。具体的には、絶縁体及び流路の軸に相当する軸Pが、水平面に対して斜め下方に延びていてもよい。あるいは、液体は、水平方向、鉛直上方、又は、水平面に対して斜め上方に流れていてもよい。循環ポンプ170による液体101の送出力を高めることで、液体を任意の方向に流すことができる。つまり、絶縁体及び流路の軸は、任意の方向を向いていてもよい。
For example, in the above embodiment, an example in which the liquid flows vertically downward in the vicinity of the opening of the insulator has been described, but the present invention is not limited to this. The liquid may flow obliquely downward with respect to the horizontal plane. Specifically, the axis P corresponding to the insulator and the axis of the flow path may extend obliquely downward with respect to the horizontal plane. Alternatively, the liquid may flow in the horizontal direction, vertically upward, or obliquely upward with respect to the horizontal plane. By increasing the output of the liquid 101 by the
また、例えば、上記の実施の形態では、絶縁体の開口が仮想的な直線である流路の軸に直交している例について示したが、これに限らない。絶縁体の開口は、流路の軸に対して斜めに交差していてもよい。例えば、開口と直線とのなす角度は、80度〜90度の範囲であってもよい。 Further, for example, in the above-described embodiment, the example in which the opening of the insulator is orthogonal to the axis of the flow path that is a virtual straight line has been described, but the present invention is not limited thereto. The opening of the insulator may intersect obliquely with respect to the axis of the flow path. For example, the angle between the opening and the straight line may be in the range of 80 degrees to 90 degrees.
また、例えば、流路の断面形状は、円形又は円環形に限らない。流路の断面形状は、正方形でもよく、楕円形でもよい。 For example, the cross-sectional shape of the flow path is not limited to a circular shape or an annular shape. The cross-sectional shape of the flow path may be square or oval.
また、例えば、絶縁体は、円筒状でなくてもよい。第1の電極の電極部及び絶縁体、並びに、絶縁体の近傍の流路は、同じ軸に沿って屈曲していてもよい。例えば、当該軸に直交する断面において、流路の面積が均等になるように形成されている。 For example, the insulator may not be cylindrical. The electrode portion and the insulator of the first electrode, and the flow path in the vicinity of the insulator may be bent along the same axis. For example, in the cross section orthogonal to the said axis | shaft, it forms so that the area of a flow path may become equal.
また、例えば、プラズマ発生装置は、流路を形成する構造体を備えていなくてもよい。例えば、液体が所定の方向に沿って流れている場合に、当該液体の流れに略平行になるように、液体内に絶縁体及び第1の電極を配置してもよい。さらに、第2の電極も同様に液体内に配置する。この状態で、第1の電極と第2の電極との間に電圧を印加することで、プラズマを生成してもよい。 For example, the plasma generator may not include a structure that forms the flow path. For example, when the liquid flows along a predetermined direction, the insulator and the first electrode may be arranged in the liquid so as to be substantially parallel to the flow of the liquid. Further, the second electrode is similarly disposed in the liquid. In this state, plasma may be generated by applying a voltage between the first electrode and the second electrode.
また、上記の各実施の形態において、プラズマ発生装置の制御回路は、専用のハードウェアで構成されてもよく、あるいは、各構成要素に適したソフトウェアプログラムを実行することによって実現されてもよい。各構成要素は、CPU又はプロセッサなどのプログラム実行部が、ハードディスク又は半導体メモリなどの記録媒体に記録されたソフトウェアプログラムを読み出して実行することによって実現されてもよい。 In each of the above embodiments, the control circuit of the plasma generator may be configured with dedicated hardware, or may be realized by executing a software program suitable for each component. Each component may be realized by a program execution unit such as a CPU or a processor reading and executing a software program recorded on a recording medium such as a hard disk or a semiconductor memory.
なお、本発明は、プラズマ発生装置として実現できるだけでなく、プラズマ発生装置の各構成要素が行う処理をステップとして含むプログラム、及び、そのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能なDVD(Digital Versatile Disc)などの記録媒体として実現することもできる。 The present invention can be realized not only as a plasma generator, but also as a program including steps performed by each component of the plasma generator, and a computer-readable DVD (Digital Versatile Disc) recording the program. It can also be realized as a recording medium.
つまり、上述した包括的又は具体的な態様は、システム、装置、集積回路、コンピュータプログラム又はコンピュータ読み取り可能な記録媒体で実現されてもよく、システム、装置、集積回路、コンピュータプログラム及び記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。 That is, the comprehensive or specific aspect described above may be realized by a system, an apparatus, an integrated circuit, a computer program, or a computer-readable recording medium, and any of the system, the apparatus, the integrated circuit, the computer program, and the recording medium It may be realized by various combinations.
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。 Each of the above-described embodiments can be variously changed, replaced, added, omitted, etc. within the scope of the claims or an equivalent scope thereof.
本開示は、水からプラズマ液を生成するプラズマ発生装置に利用可能である。 The present disclosure can be used for a plasma generation apparatus that generates a plasma liquid from water.
100、200 プラズマ発生装置
101 液体
102 気泡
103 プラズマ
110 第1の電極
111 電極部
112 ネジ部
113 端面
114 貫通孔
120 第2の電極
130 絶縁体
131 開口
132 空間
133 端面
134 保持部
140 電源
150 供給ポンプ
160、260 構造体
161、261、360 反応槽
162 処理槽
163 配管
170 循環ポンプ
180、280、380 流路
181、281、381 第1の流路
190 制御回路
382 第2の流路
100, 200
Claims (10)
前記流路内に位置する開口を端面に有し、前記第1の電極の側面を、気体を通過させるための空間を介して囲むように配置された筒状の絶縁体と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に電圧を印加することで、プラズマを発生させる電源とを備え、
前記液体は、前記気体が前記開口を通過する方向に沿って前記絶縁体の外側を流れる
プラズマ発生装置。 A first electrode and a second electrode at least partially disposed in a flow path for flowing a liquid;
A cylindrical insulator having an opening located in the flow path at the end face, and surrounding the side surface of the first electrode through a space for allowing gas to pass through;
A power source for generating plasma by applying a voltage between the first electrode and the second electrode;
The liquid flows through the outside of the insulator along a direction in which the gas passes through the opening.
請求項1に記載のプラズマ発生装置。 The plasma generator according to claim 1, further comprising a supply device that discharges the gas into the liquid from the opening by supplying the gas to the space.
請求項1又は2に記載のプラズマ発生装置。 The plasma generating apparatus according to claim 1, further comprising a structure that forms the flow path.
前記開口は、前記第1の流路内に位置している
請求項3に記載のプラズマ発生装置。 The flow path includes a first flow path extending along a virtual straight line,
The plasma generating apparatus according to claim 3, wherein the opening is located in the first flow path.
請求項4に記載のプラズマ発生装置。 The plasma generator according to claim 4, wherein the opening is orthogonal to the straight line.
請求項4又は5に記載のプラズマ発生装置。 The plasma generator according to claim 4 or 5, wherein the liquid flowing through the first flow path and the gas passing through the opening flow downward with respect to a horizontal plane.
請求項4〜6のいずれか1項に記載のプラズマ発生装置。 The plasma generator according to any one of claims 4 to 6, wherein a cross-sectional shape of the first flow path when cut along a plane parallel to the straight line is line symmetric.
請求項7に記載のプラズマ発生装置。 The plasma generating apparatus according to claim 7, wherein a cross-sectional shape of the first flow path when cut along a plane orthogonal to the straight line is a circular shape or an annular shape.
請求項4〜8のいずれか1項に記載のプラズマ発生装置。 The plasma generation apparatus according to any one of claims 4 to 8, wherein the flow path further includes a bent second flow path connected to an upstream side of the first flow path.
請求項9に記載のプラズマ発生装置。 The plasma generating apparatus according to claim 9, wherein the second flow path is bent in an S shape.
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