JP5688651B2 - 微粒子搬送装置及びこの装置を用いた微粒子の浄化方法 - Google Patents
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Description
電極は、交流電源の一端に接続される第1の電極と交流電源の他端に接続される第2の電極とからなるように構成してもよい。第1の電極は搬送管の外側に巻回され、第2の電極は搬送管の内側に巻回されてもよい。第1及び第2の電極は、好ましくは、搬送管の軸方向に対して90度より小さな角度をつけて配設されている。
搬送管は上部の壁と下部の壁と側壁とからなり、上部の壁の表面には第1の電極が配設され、下部の壁の表面には第2の電極が配設されていてもよい。この場合、第1の電極は、好ましくは、外周部と該外周部に接続される複数の線状電極部とを有しており、該複数の線状電極部は、外周部から中心部に放射状に伸び、かつ、その各先端は互いに接続されていない。また、第2の電極は、好ましくは、中心部と中心部に接続される複数の線状電極部とを有しており、複数の線状電極部は、中心部から径方向に放射状に伸び、かつ、その各先端は互いに接続されていない。第1の電極の各線状電極部と該各線状電極部に最も近接して配設される第2の電極の各線状電極部とは、好ましくは、一定の間隔で互いに平行となるように配置されている。
別の構成として、搬送管の内部に電極支持部材が配設され、この電極支持部材には、所定の幅の誘電体膜が螺旋状に巻回され、誘電体膜に電極が形成されていてもよい。誘電体膜の表面側には第1の電極が形成され、誘電体膜の裏面側には第2の電極が形成されていてもよい。
搬送管は、好ましくは、少なくとも一つ以上の入口を備えている。
本発明の微粒子搬送装置はキャリアガスを使用した場合にも適用可能であり、キャリアガスの圧力損失を低減化できる。
(第1の実施形態)
図1は本発明の第1の実施形態に係る微粒子搬送装置1の構成例を示す図である。
図1に示すように、微粒子搬送装置1は、搬送物となる微粒子2を搬送するための搬送管3と、搬送管3に配設される電極4と、電極4に接続されて搬送管3内の雰囲気5を放電させる交流電源6と、を含んで構成されている。
図2に示すように、搬送管3に設ける電極4は、搬送管3となる円筒形状の管壁の外側と内側にそれぞれテープ状の第1の電極4Aと第2の電極4Bを螺旋状に巻き、搬送管3の外側及び第1の電極4Aを絶縁テープ7で覆うという極めて簡単な構造を有している。つまり、電極4は、交流電源6の一端に接続され外側の電極となる第1の電極4Aと交流電源6の他端に接続され内側の電極となる第2の電極4Bとから構成される。図示の場合、第1の電極4Aは搬送管3の外側に巻回され、第2の電極4Bは搬送管3の内側に第1の電極4Aの巻回方向と同方向の螺旋状に巻回されている。
上記したように、DBDプラズマによる放電によって帯電した微粒子2に作用する静電気力により、微粒子2が撹拌して搬送される。この静電気力による搬送を妨げる力を検討した。このような力としては微粒子2を搬送管3の壁面に付着させる力であるファンデルワールス力や鏡像力(以下、壁面付着力とも呼ぶ。)がある。さらに、搬送を妨げる力として微粒子2自体の重力が挙げられる。
交流電源6の代表的な条件である印加電圧15kVppで計算した結果、微粒子2の粒径が3〜5μmまでの粒径範囲において、静電気力は、壁面付着力であるファンデルワールス力や鏡像力、及び重力よりも大きくなることが判明した。これにより、微粒子2の粒径が3〜5μmまでであれば、静電気力による撹拌ができ、微粒子2が搬送管3の内周面や内側の第2電極4Bに付着し難くなり、微粒子2が搬送される。微粒子2の粒径が3〜5μmという値は一計算例であって、微粒子2の比重や、交流電源6の印加電圧、第1の電極4Aと第2の電極4Bとの間隔を変えて電界強度を調整することによって搬送可能な微粒子2の粒径を変えることができる。従って、搬送可能な微粒子2の最大粒径は、100〜200μm程度とすることも可能である。
DBDプラズマチューブ内の空気中の3次元電位分布は、下記(1)式の電位Φに関するポアソン方程式の解として与えられる。
∇・(∇εrΦ)=−ρc (1)
条件として、印加電圧を7.5kV、搬送管3の内径を12mm、テープ状の電極4の幅を5mm、電極4と搬送管3の軸方向との角度を45°とした場合の搬送管3内の電位分布を図3〜5に示す。図3〜5では、電位分布を図の濃淡で示している。
DBDプラズマチューブの変形例1について説明する。
図6は、DBDプラズマチューブの変形例1を示し、(a)は平面図、(b)は斜視図である。
図6に示すように、搬送管13は、対向する上部と下部の壁が円形、正方形、六角形、その他の多角形の扁平形状を有し、上部と下部との間に内部空間が設けられた縦型の搬送管として構成されている。図示の場合には上下部の壁が円形で、側壁が円筒形状を有している。上部の壁の表面側には、第1の電極14Aと入口13Aとが配設されている。下部の壁壁の表面側には、第2の電極14Bと出口13Bとが配設されている。搬送管13の筒内の内部空間は雰囲気5で満たされている。搬送管13は、搬送管1と同様に樹脂シート、ガラス管、セラミック等の誘電体からなる。
DBDプラズマチューブの変形例2について説明する。
図7は、DBDプラズマチューブの変形例2の内部を示す模式的な部分斜視図である。
図7に示すように、搬送管3は縦型の搬送管として構成されている。搬送管は、例えば円筒形状であり、上下の両端の壁には、それぞれ入口3Aと出口3Bとを備えている。搬送管3の内部の中央には、棒状の絶縁材料からなる電極支持部材18が上下方向に配設され、上下両端の壁に固定されている。絶縁材料としては、ガラスやフッ素樹脂等を使用することができる。電極支持部材18の外周には、誘電体膜19が螺旋状に巻回されている。誘電体膜19の内縁が電極支持部材18に固定されている。電極16は、所定の幅Wの誘電体膜19上に形成されている。誘電体膜19の表面側には、複数の第1の電極16Aが誘電体膜19の外縁から内縁側へ向けて所定ピッチで形成されている。誘電体膜19の裏面側には、複数の第2の電極16Bが誘電体膜19の外縁から内縁側へ向けて所定ピッチで形成されている。
図8は本発明の第2の実施形態に係る微粒子搬送装置10を示す概略図である。
図8に示す微粒子搬送装置10は、図1に示す微粒子搬送装置1にさらにキャリアガスを流す構成が付加されている。図8に示す微粒子搬送装置10は、搬送管3の入口3Aに、キャリアガスを供給するキャリアガス供給部8を備えている。キャリアガスとしては、空気、窒素、アルゴン等のガス、これらのガスを混合した混合ガスが挙げられる。このキャリアガスは搬送ガスと呼ばれる場合もある。
微粒子搬送装置10の動作は、図1に示す微粒子搬送装置1が雰囲気5となる大気のプラズマを発生するのに対して、プラズマを発生する際に、キャリアガスを流しながら行う点が異なっている。この場合、キャリアガスを流しているが、搬送管13の壁面近傍のプラズマ誘起流によってキャリアガス流の圧力損失を低減することができる。
本発明に係る第3の実施形態として、本発明の第1及び第2に実施形態の微粒子搬送装置1,10を用いた浄化方法について説明する。
本発明の微粒子搬送装置1を用いた浄化方法は、以下の工程で行うことができる。
大気と被浄化物とが含まれている雰囲気5を、搬送管3に導入する工程。
雰囲気5を交流電源6によって放電してオゾンを含む反応性ガスを発生させる工程。
反応性ガスによって雰囲気5中の被浄化物を処理する工程。
大気と被浄化物とが含まれている雰囲気5とキャリアガスとを、搬送管3に導入する工程。
雰囲気5を交流電源6によって放電してオゾンを含む反応性ガスを発生させる工程。
反応性ガスによって雰囲気5中の被浄化物を処理する工程。
微粒子搬送装置10を用いた浄化方法は、微粒子搬送装置1にさらにキャリアガスを流す点が異なる。キャリアガスを流す点以外は、微粒子搬送装置1を用いる浄化方法と同じである。
表裏に幅2mmの一対の螺旋状の銅電極4を有する内径12mm及び20mmのテフロン(登録商標)製の搬送管3によってDBDプラズマチューブを製作した。一対の銅電極4の間隔は3mmである。搬送管3の肉厚は0.3mm、搬送管3の管長は100mmである。電極4の角度θは45°〜75°程度とした。テフロン(登録商標)の比誘電率は2.1である。
図9(a)〜(d)から明らかなように、印加電圧が大凡14kVppから15kVppの間で放電した。印加電圧の増加に伴い、局所的に放電部の発光が強くなると共に、手前から奥に向かって壁面近傍の空気プラズマの発光領域が広がる様子が観測された。
図10から明らかなように、印加電圧が増加するにつれ、反応性ガスであるO3の濃度はほぼ線形に増加し、15kVppを印加した場合、230ppm程度のO3が発生した。
図11(a)及び(b)から明らかなように、放電を行うことにより粒子が断続的に搬送管3の軸方向に搬送されることが分かった。これは、搬送管3の管壁近傍においてDBD放電による誘起流及び静電気力により帯電微粒子が輸送されたためである。
図12は、PIVによる誘起流の平均速度分布を示す図である。用いたDBDプラズマチューブの内径は12mm、電極4の角度は45°、印加電圧は14.3kVpp、周波数は1.0kHzである。図12から明らかなように、DBDプラズマによって、搬送管3の出口3Bにおいては斜め上向きに、最大で56cm/sの流れが誘起されることがわかった。
2:微粒子
3、13、15:搬送管3A、13A、15A:入口
3B、13B、15B:出口
4、14、16:電極
4A、14A、16A:第1の電極
4B、14A、16A:第2の電極
5:雰囲気
6:交流電源
7:絶縁テープ
8:キャリアガス供給部
12:O3濃度計
18:電極支持部材
19:誘電体膜
Claims (16)
- 微粒子を搬送するための搬送管と、
上記搬送管に配設される電極と、
上記電極に接続されて上記搬送管内の雰囲気を放電させる単相の交流電源と、
を備え、
上記電極は、上記単相の交流電源の一端に接続される第1の電極と上記単相の交流電源の他端に接続される第2の電極とからなり、
上記単相の交流電源により上記第1の電極と上記第2の電極との間に誘電体バリヤ放電を生じさせ、
上記微粒子が、上記誘電体バリヤ放電によって帯電した該微粒子に作用する静電気力により撹拌されると共に、上記誘電体バリヤ放電で生じるプラズマ誘起流により搬送され、
上記プラズマ誘起流の流速が、上記第1及び第2の電極の上記搬送管の軸方向に対する角度により調整され、上記微粒子の搬送量及び搬送速度が、上記単相の交流電源により制御される、微粒子搬送装置。 - 微粒子を搬送するための搬送管と、
上記搬送管にキャリアガスを供給するキャリアガス供給部と、
上記搬送管に配設される電極と、
上記電極に接続されて上記搬送管内の雰囲気を放電させる単相の交流電源と、を備え、
上記電極は、上記単相の交流電源の一端に接続される第1の電極と上記単相の交流電源の他端に接続される第2の電極とからなり、
上記単相の交流電源により上記第1の電極と上記第2の電極との間に誘電体バリヤ放電を生じさせ、
上記微粒子が、上記誘電体バリヤ放電によって帯電した該微粒子に作用する静電気力により撹拌されると共に、上記誘電体バリヤ放電で生じるプラズマ誘起流及びキャリアガスにより搬送され、
上記プラズマ誘起流の流速が、上記第1及び第2の電極の上記搬送管の軸方向に対する角度により調整され、上記微粒子の搬送量及び搬送速度が、上記単相の交流電源により制御される、微粒子搬送装置。 - 前記第1の電極は前記搬送管の外側に巻回され、前記第2の電極は前記搬送管の内側に巻回されている、請求項1又は2に記載の微粒子搬送装置。
- 前記第1及び第2の電極は、前記搬送管の軸方向に対して90度より小さな角度をつけて配設されている、請求項3に記載の微粒子搬送装置。
- 前記搬送管は上部の壁と下部の壁と側壁とからなり、該上部の壁の表面には第1の電極が配設され、該下部の壁の表面には第2の電極が配設されている、請求項1又は2に記載の微粒子搬送装置。
- 前記第1の電極は、前記上部の壁の外周部と該外周部に接続される複数の線状電極部とを有しており、該複数の線状電極部は、該外周部から前記上部の壁の中心部に放射状に伸びていて中心部側の各先端は互いに接続されていない、請求項5に記載の微粒子搬送装置。
- 前記第2の電極は、前記下部の壁の中心部と該中心部に接続される複数の線状電極部とを有しており、該複数の線状電極部は、中心部から放射状に伸びていて外周部側の各先端は互いに接続されていない、請求項5に記載の微粒子搬送装置。
- 前記第1の電極の各線状電極部は、該各線状電極のそれぞれに最も近接する前記第2の電極の各線状電極部と一定の間隔で互いに平行となるように配置されている、請求項5〜7の何れかに記載の微粒子搬送装置。
- 前記搬送管の内部に電極支持部材が配設されており、該電極支持部材には、所定の幅の誘電体膜が螺旋状に巻回され、該誘電体膜に電極が形成されている、請求項1又は2に記載の微粒子搬送装置。
- 前記誘電体膜の表面側には第1の電極が形成され、前記誘電体膜の裏面側には第2の電極が形成されている、請求項9に記載の微粒子搬送装置。
- 前記搬送管は、少なくとも一つ以上の入口を備えている、請求項1〜10の何れかに記載の微粒子搬送装置。
- 請求項1〜11の何れかに記載の微粒子搬送装置を用いた微粒子の浄化方法であって、
大気と微粒子からなる被浄化物とが含まれている前記雰囲気を、前記搬送管に導入し、
前記雰囲気を前記単相の交流電源によって放電してオゾンを含む反応性ガスを発生し、
上記反応性ガスによって前記雰囲気中の被浄化物を処理する、微粒子の浄化方法。 - 前記プラズマ誘起流の流速を、前記第1及び第2の電極の前記搬送管の軸方向に対する角度により調整する、請求項12に記載の微粒子の浄化方法。
- 前記微粒子の搬送量及び搬送速度を、前記単相の交流電源により制御する、請求項12に記載の微粒子の浄化方法。
- 前記被浄化物を、黄砂、煙、穀物、該穀物に付着した塵、有機物の何れかとする、請求項12〜14の何れかに記載の微粒子の浄化方法。
- 前記浄化を繰り返して行う、請求項12〜15の何れかに記載の微粒子の浄化方法。
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