JP5678493B2 - 液中プラズマ用電極および液中プラズマ装置 - Google Patents

Description

本発明は、液中に気泡を発生させ、その気泡内にプラズマを発生させる液中プラズマ装置およびその装置に用いる液中プラズマ用電極に関する。

液中に気泡を生じさせ、気泡内にプラズマを発生させる液中プラズマ装置として、特許文献１や特許文献２が知られている。

特許文献１では、液中プラズマ用電極として、端面以外が絶縁材で覆われた棒状の電極が示されていて、電源として３Ｍｚ〜３ＧＨｚの高周波電源を用いることが示されている。

特許文献２では、液中に１対の電極を配置し、その電極の一方または双方が、絶縁材で被覆された針状電極であり、電極間に高圧パルス電圧を印加することが記載されている。高圧パルス電圧の印加によって液体を加熱することで気泡を生じさせることができ、その気泡内にプラズマを生成することができる。

また、液中プラズマを医療に活用した例として、特許文献３に記載の医療用治療装置がある。その医療用治療装置は、内部に金属線が挿入されたカテーテルと、超音波発生手段とを有している。このカテーテルを血管内に挿入し、金属線の先端が患部に到達するようにし、超音波発生手段によって金属線を超音波振動させて、金属線先端の血液中に気泡を生じさせ、金属線に高周波電圧を印加することで、血液中の気泡内に高周波プラズマを発生させ、血栓の破壊などの治療を行うことが示されている。

ＷＯ２００６／０５９８０８ 特開２００７−２０７５４０ 特開２００６−２６３４１９

液中プラズマの発生には水の電気分解による気泡の発生が重要な役割を果たしていると考えられている。しかし、特許文献１、２に記載の従来の液中プラズマ装置では、気泡が発散するなどしてプラズマの安定形成が難しかった。また、液体の電気伝導による印加電圧の低下があるため、プラズマ発生に必要な電圧条件を満たすことが困難であった。そのため、液体の電気伝導度をできるだけ低くしておいたり、短いパルス形状の高圧電源を使用するなどの対応を取らざるを得なかった。しかしこのような対応では、電気伝導度の高い生体系材質（たとえばリンパ液、血液）などの液中にプラズマを発生させることは難しかった。また、特許文献３の方法では、超音波振動と高周波電圧とをそれぞれ制御しなければならず、液中プラズマを安定して生成する制御が難しかった。

そこで本発明の目的は、より低電圧で液中に安定してプラズマを発生させることができる液中プラズマ装置を実現することである。

第１の発明は、２本のワイヤ状電極の先端部を平行にして束ね、その先端を揃えた構造であって、各ワイヤ状電極は、金属線と、金属線を被覆する絶縁性を有した管状の第１絶縁材と、第１絶縁材の先端部を被覆し、絶縁性と耐熱性を有した管状の第２絶縁材と、とを備え、前記金属線の先端面と、前記第１絶縁材の先端面は同一面内にあり、第２絶縁材の先端面は、第１絶縁材の先端面よりも先端側に向かって突出していて、一方のワイヤ状電極の第２絶縁材の先端面と、他方のワイヤ状電極の第２絶縁材の先端面とを揃えた、ことを特徴とする液中プラズマ用電極である。

２本のワイヤ状電極の先端は、完全に揃っている必要はなく、液中プラズマを発生させることができる程度に段差が生じていてもよい。

金属線は、導電性を有し、液中プラズマを発生させる溶液に対して対酸化性、対腐食性を有した材料が望ましく、曲げによる断線を抑制するために延性の高い材料が望ましい。たとえば、ステンレス、ニッケル、白金、金、あるいはそれらを含む合金などを用いることができる。銅や銅合金も用いることも可能であるが、対酸化性に劣るため、銅や銅合金を用いる場合には先端部を金などによって被膜することが望ましい。

金属線の直径は、１ｍｍ以下であることが望ましい。これ以上の直径では、液中プラズマの安定性を高めるのが難しくなり、また、ワイヤ状電極を自由に曲げることが難しくなるためである。より望ましくは０．２〜１ｍｍである。

第１絶縁材の材料は、絶縁性を有した材料であれば任意の材料でよく、柔軟性を有した材料であることが望ましい。たとえば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリアミド樹脂などの合成樹脂材料である。

第１絶縁材の外径は、０．５〜３ｍｍとすることが望ましい。第１絶縁材の外径は、なるべく小さい方が望ましいが、電気的絶縁性を確保することができる厚みを有している必要がある。そのため、金属線の直径を考慮して、第１絶縁材の外径を上記範囲とすることが望ましい。より望ましい範囲は０．８〜２ｍｍである。

第２絶縁材の材料は、絶縁性と耐熱性を有した材料であれば任意の材料でよく、セラミックス、シリコーン樹脂、ポリアミド樹脂などを用いることができる。

第２絶縁材の外径は、１〜６ｍｍとすることが望ましい。第２絶縁材の外径はなるべく小さい方が望ましいが、電気的絶縁性と機械的強度を有している必要がある。また、第２絶縁材の先端部は発生したプラズマに接触するため、それに対する耐性を有している必要がある。そのため、第１絶縁材の外径を考慮して、第２絶縁材の外径は上記範囲とすることが望ましい。より望ましい範囲は１．５〜５ｍｍである。

第１絶縁材の先端面から第２絶縁材の先端面までの距離は、第１絶縁材料の外径（第２絶縁材の内径）の０．５〜５倍とすることが望ましい。この範囲であれば、金属線の先端面近傍における気泡の滞留性がよくなり、液中プラズマの安定性がより向上する。より望ましいのは１〜３倍である。

金属線の先端面と第１絶縁材の先端面とは、完全に同一面内である必要はなく、液中プラズマの安定した生成ができる程度に先端面がずれていてもよい。たとえば、金属線の先端面が、第１絶縁材の先端面に対して、金属線の直径の０．５倍以下の範囲で突出していてもよいし、逆に第１絶縁材の先端面が、金属線の先端面に対して、金属線の直径の１倍以下の範囲で突出していてもよい。

第２の発明は、第１の発明において、第１絶縁材の先端面から前記第２絶縁材の先端面までの距離は、第１絶縁材料の外径の０．５〜５倍であることを特徴とする液中プラズマ用電極である。

第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、金属線は、直径１ｍｍ以下であることを特徴とする液中プラズマ用電極である。

第４の発明は、第１の発明から第３の発明において、第１絶縁材の外径は、０．５〜３ｍｍであることを特徴とする液中プラズマ用電極である。

第５の発明は、第１の発明から第４の発明において、第２絶縁材の外径は、１〜６ｍｍであることを特徴とする液中プラズマ用電極である。

第６の発明は、第１の発明から第５の発明において、金属線は、ステンレス、ニッケル、白金、金、またはこれらを含む合金であることを特徴とする液中プラズマ用電極である。

第７の発明は、第１の発明から第６の発明の液中プラズマ用電極と、液中プラズマ用電極の２本の金属線に電圧を印加する電源と、を有することを特徴とする液中プラズマ装置である。

第８の発明は、第７の発明において、電源は、交流商用電圧を昇圧した電源である、ことを特徴とする液中プラズマ装置である。

本発明の液中プラズマ用電極では、金属線を第１絶縁材で被覆しているため、金属線の先端面以外は液体に接触しない。そのため、液体による電気伝導度の低下が抑制され、液中プラズマを発生させるための電圧制御が容易となる。また、金属線の先端面と第１絶縁材の先端面とを同一面内とすることにより、液中に発生した気泡が金属線の先端面に集中しやすい構造となり、液中プラズマを安定して生成することができる。また、第２絶縁材の先端面が第１絶縁材の先端面よりも先端側に向かって突出した構造とすることで、金属線の先端面近傍に気泡が滞留しやすくなり、液中プラズマを安定して生成することができる。

また、本発明の液中プラズマ装置によると、液中に安定して液中プラズマを発生させることができる。

実施例１の液中プラズマ装置の構成を示した図。 水道水中に発生した液中プラズマを撮影した写真。 食塩水中に発生した液中プラズマを撮影した写真。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１の液中プラズマ装置の構成を示した図である。液中プラズマ装置は、液中プラズマ用電極１と、電源２と、によって構成されている。液中プラズマ用電極１は、先端が揃うように平行に束ねられた２本のワイヤ状電極３で構成されている。電源２は、６０Ｈｚ、１００Ｖの商用ＡＣ電源を５ｋＶに昇圧した電源である。なお、２本のワイヤ状電極３は、先端部が平行に束ねられていればよく、途中からＹ字型に分岐していてもよい。

ワイヤ状電極３は、直径０．５ｍｍの金属線１０と、金属線１０を被覆する円筒管状で柔軟性を有したシリコーンチューブ１１と、シリコーンチューブ１１の先端部を被覆する円筒管状のセラミックス管１２と、によって構成されている。それぞれの金属線１０は、電源１０に接続されており、電圧が印加される。

金属線１０は、導電性を有し、液中プラズマを発生させる溶液に対して対酸化性、対腐食性を有した材料であればよく、曲げによる断線を抑制するために延性の高い材料が望ましい。たとえば、ステンレス、ニッケル、白金、金、あるいはそれらを含む合金などを用いることができる。銅や銅合金を用いてもよいが、対酸化性が低いので先端部に金などのめっきを施すのがよい。

金属線１０の直径は０．５ｍｍに限るものではなく、１ｍｍ以下であればよい。これ以上の直径では、液中プラズマの安定性を高めるのが難しくなり、また、ワイヤ状電極を自由に曲げることが難しくなるためである。より望ましくは０．２〜１ｍｍである。

シリコーンチューブ１１は、金属線１０の先端面１０ａ以外を被覆していて、金属線１０の先端面１０ａのみが外部に露出している。また、金属線１０の先端面１０ａと、シリコーンチューブ１１の先端面１１ａは、同一面内となっている。

シリコーンチューブ１１以外にも、絶縁性を有した材料であれば任意の材料を用いてよく、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリアミド樹脂などの合成樹脂製チューブを用いることができる。

シリコーンチューブ１１の外径は、０．５〜３ｍｍであることが望ましい。より望ましくは０．８〜２ｍｍである。

セラミックス管１２の先端面１２ａは、シリコーンチューブ１１の先端面１１ａよりも先端方向に突出している。そのため、セラミックス管１２の内壁１２ｂと、金属線１０の先端面１０ａおよびシリコーンチューブ１１の先端面１１ａとによって凹部１３が構成されている。

セラミックス管１２の先端面１２からシリコーンチューブ１１の先端面１１ａまでの距離は、セラミックス管１２の内径（シリコーンチューブ１１の外径）の０．５〜５倍であることが望ましい。この範囲であれば、凹部１３における気泡の滞留性がよくなり、液中プラズマの安定性がより向上する。より望ましいのは１〜３倍である。

セラミックス管１２以外に、耐熱性、絶縁性を有した材料を用いてよく、シリコーン樹脂やポリアミド樹脂などを用いることができる。液中プラズマを生じさせる液体が水や水溶液である場合には、耐熱性は２００℃程度あればよい。

セラミックス管１２の外径は、１〜６ｍｍであることが望ましい。より望ましくは１．５〜５ｍｍである。

実施例１の液中プラズマ装置では、以下のようにして液中にプラズマを生じさせることができる。まず、２本のワイヤ状電極３の先端部を所望の液体に浸し、各ワイヤ状電極３の金属線１０間に電源２を用いて電圧を印加する。電圧印加による熱によってワイヤ状電極３の先端部において液体が気化し、液中に気泡が生じる。そして、その気泡によって一方の金属線１０の先端面１１ａと、他方の金属線１０の先端面１１ａとの間で放電が生じ、気泡内にプラズマが生じる。

ここで、実施例１の液中プラズマ装置の液中プラズマ用電極１では、生じた気泡は、ワイヤ状電極３先端部の凹部１３に滞留する。金属線１０の先端面１０ａとシリコーンチューブ１１の先端面１１ａが同一面内であるため、凹部１３に滞留した気泡は、金属線１０の先端面１０ａを包むようにして接触して滞留する。その結果、液中に時間的、形状的に安定してプラズマを生成することができる。また、金属線１０の先端面１１ａ以外はシリコーンチューブ１１に被膜されているため、金属線１０の先端面１１ａ以外の部分が液体を介して電気伝導することはなく、２つの金属線１０の先端面１１ａ間でのみ放電を生ずる。そのため、液体による電気伝導度の低下が抑制され、液中プラズマを発生させるための電圧制御が容易となる。また、実施例１の液中プラズマ用電極１は、ワイヤ状であるため任意の形状に曲げて使用することができる。

図２は、実施例１の液中プラズマ装置を用い、水道水中に液中プラズマを発生させた時の様子を撮影した写真である。図２のように、水道水中に時間的、形状的に安定した液中プラズマを生成することができた。

図３は、実施例１の液中プラズマ装置を用い、２５℃の飽和食塩水中に液中プラズマを発生させた時の様子を撮影した写真である。図３のように、飽和食塩水中に、時間的、形状的に安定した液中プラズマを生成することができた。また、飽和食塩水の構成元素であるＮａのオレンジ色の発光が認められた。

なお、実施例１の液中プラズマ装置では、電源として商用ＡＣ電源を昇圧した電源を用いたが、高圧パルス電源を使用してもよい。高圧パルス電源を用いることで、発熱を抑えることができる。

また、実施例１では、２本のワイヤ状電極３の先端を揃えているが、液中プラズマの生成が可能な範囲であれば、先端が揃っていなくてもよい。

本発明の液中プラズマ電極は、カテーテルのようにして使用することができ、生体の体液内にプラズマを発生させて治療を行う、などの用途に期待できる。

１：液中プラズマ用電極
２：電源
３：ワイヤ状電極
１０：金属線
１１：シリコーンチューブ
１２：セラミックス管
１３：凹部

Claims (8)

1. ２本のワイヤ状電極の先端部を平行にして束ね、その先端を揃えた構造であって、
   各ワイヤ状電極は、
   金属線と、
   前記金属線を被覆する絶縁性を有した管状の第１絶縁材と、
   前記第１絶縁材の先端部を被覆し、絶縁性と耐熱性を有した管状の第２絶縁材と、
   とを備え、
   前記金属線の先端面と、前記第１絶縁材の先端面は同一面内にあり、
   前記第２絶縁材の先端面は、前記第１絶縁材の先端面よりも先端側に向かって突出していて、
   一方の前記ワイヤ状電極の前記第２絶縁材の先端面と、他方の前記ワイヤ状電極の前記第２絶縁材の先端面とを揃えた、
   ことを特徴とする液中プラズマ用電極。
2. 前記第１絶縁材の先端面から前記第２絶縁材の先端面までの距離は、前記第１絶縁材料の外径の０．５〜５倍であることを特徴とする請求項１に記載の液中プラズマ用電極。
3. 前記金属線は、直径１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液中プラズマ用電極。
4. 前記第１絶縁材の外径は、０．５〜３ｍｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の液中プラズマ用電極。
5. 前記第２絶縁材の外径は、１〜６ｍｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の液中プラズマ用電極。
6. 前記金属線は、ステンレス、ニッケル、白金、金、またはこれらを含む合金であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の液中プラズマ用電極。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の液中プラズマ用電極と、
   液中プラズマ用電極の２本の前記金属線に交流電圧を印加する電源と、
   を有することを特徴とする液中プラズマ装置。
8. 前記電源は、交流商用電圧を昇圧した電源である、ことを特徴とする請求項７に記載の液中プラズマ装置。