JP6511440B2 - プラズマ照射方法、およびプラズマ照射装置 - Google Patents

プラズマ照射方法、およびプラズマ照射装置 Download PDF

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Description

本発明は、液体にプラズマを照射するプラズマ照射方法、および、液体にプラズマを照射するプラズマ照射装置に関するものである。
液体にプラズマを照射することで、液体にラジカルが溶け出して、酸化性の高い液体を生成できることが知られている。酸化性の高い液体によれば、殺菌，滅菌処理、廃液，排ガス等の浄化処理等を効果的に行うことが可能である。また、酸化性の高い液体の医療分野への活用も検討されている。このため、近年では、下記特許文献に記載されているように、液体にプラズマを照射するための技術開発が行われている。
特開２００９−１６０４９４号公報 特開２０１４−１０９３１号公報 特開２００１−９４６３号公報
上記特許文献に記載の技術によれば、液体にプラズマを照射することは可能である。ただし、上記特許文献１，２に記載の技術では、液体に浸漬された状態の電極に電圧が印加され、液体にプラズマ処理が施される。このため、電極の成分等の不純物が液体に溶解する虞がある。また、上記特許文献３に記載の技術では、液体に浸漬されていない電極により、気体がプラズマ化され、液体にプラズマが照射されるが、プラズマ処理の対象となる液体は、容器内の液体である。このため、少量の液体にしかプラズマを照射することができない。また、少量の液体にプラズマが照射されることで、液体が高温となる虞がある。このように、液体にプラズマを照射するための方法及び装置には、改良の余地が多分に残されており、種々の改良を施すことで、プラズマ照射方法、およびプラズマ照射装置の実用性は向上すると考えられる。本発明は、そのような実情に鑑みてなされたものであり、本発明の課題は、実用性の高いプラズマ照射方法、およびプラズマ照射装置を提供することである。
上記課題を解決するために、本願に記載のプラズマ照射方法は、液体にプラズマを照射するプラズマ照射方法であって、絶縁体材料により成形された筒状の部材の一端から挿入された流通管であって、当該流通管の一端が前記筒状の部材の内部に位置した状態で配設された流通管から前記筒状の部材の内部に、所定の空間を残した状態で液体を流す液体流通工程と、前記筒状の部材の外壁面に沿って配設された１対の電極への電圧の印加により、前記所定の空間に存在する気体をプラズマ化させるプラズマ化工程と、前記所定の空間に気体を流す気体流通工程と、を含み、当該プラズマ照射方法が、前記プラズマ化工程と前記気体流通工程の前であって、かつ、前記液体流通工程により前記筒状の部材の内部に液体が流される前に液体の内部に気泡を発生させる気泡発生工程を含むことを特徴とする。
上記課題を解決するために、本願に記載のプラズマ照射装置は、絶縁体材料により成形された筒状の部材と、前記筒状の部材の外壁面に沿って配設された１対の電極と、前記筒状の部材の内部に所定の空間を残した状態で液体を流す流通管と、前記所定の空間に気体を流す気体流通装置とを備え、前記１対の電極への電圧の印加により、前記所定の空間に存在する気体をプラズマ化させて、前記筒状の部材の内部を流れる液体にプラズマを照射するプラズマ照射装置であって、前記流通管が、前記筒状の部材の一端から挿入され、当該流通管の一端が前記筒状の部材の内部に位置する状態で配設され、当該プラズマ照射装置が、気体のプラズマ化および前記気体流通装置による気体の流通前であって、かつ、前記流通管により前記筒状の部材の内部に流される前の液体の内部に気泡を発生させる気泡発生装置を備えることを特徴とする。
本願に記載のプラズマ照射方法、およびプラズマ照射装置では、絶縁体材料により成形された筒状の部材の内部に、所定の空間を残した状態で液体が流される。そして、筒状の部材の外壁面に沿って、１対の電極が配設されており、それら１対の電極に電圧が印加される。これにより、筒状の部材の内部に存在する気体がプラズマ化され、筒状の部材の内部を流れる液体にプラズマが照射される。このように、本願に記載のプラズマ照射方法、およびプラズマ照射装置では、液体に浸漬されていない状態の電極によって、気体がプラズマ化され、液体にプラズマが照射される。これにより、電極の溶解による液体への不純物の混入等を考慮する必要がない。また、本願に記載のプラズマ照射方法、およびプラズマ照射装置では、流れる液体にプラズマが照射されるため、大量の液体にプラズマを照射することが可能となり、効率的に、酸化性の高い液体を生成することが可能である。また、流れる液体にプラズマが照射されるため、プラズマの照射による液体の高温化を抑制することが可能となる。このように、本願に記載の技術によれば、プラズマ照射方法、およびプラズマ照射装置の実用性を向上させることが可能となる。
本発明の実施例であるプラズマ照射装置を示す斜視図である。 図１の本体部から取り外された電極を示す分解図である。 図１のプラズマ照射装置を示す断面図である。 変形例１のプラズマ照射装置を示す斜視図である。 図４の本体部から取り外された電極を示す分解図である。 変形例２のプラズマ照射装置を示す斜視図である。 図６の本体部から取り外された電極を示す分解図である。 変形例３のプラズマ照射装置を示す斜視図である。
以下、本発明を実施するための形態として、本発明の実施例を、図を参照しつつ詳しく説明する。
＜プラズマ照射装置の構成＞
図１に、本発明の実施例のプラズマ照射装置１０を示す。プラズマ照射装置１０は、水にプラズマを照射し、プラズマ処理水を生成するための装置である。プラズマ照射装置１０は、本体部１２と、１対の電極１４，１６と、ガラス管１８と、流通管２０と、気泡発生装置（図３参照）２２とを備えている。
本体部１２は、サファイアガラスにより成形されており、概して円筒状をなしている。その本体部１２の外周面には、１対の電極１４，１６の複数の放電部２６，２８が、本体部１２の軸方向に交互に並ぶようにして、蒸着されている。詳しくは、電極１４は、図２に示すように、複数の放電部２６と複数の連結部３０とを有しており、電極１６は、複数の放電部２８と複数の連結部３２とを有している。なお、図２は、電極１４，１６を本体部１２から取り外した状態を示す仮想図である。
電極１４の複数の放電部２６は、本体部１２の外周面に、周方向に延びるように蒸着されており、所定の間隔をおいて、本体部１２の軸方向に並んで配設されている。また、電極１４の連結部３０は、本体部１２の外周面に、本体部１２の軸方向に延びるように線状に蒸着されており、複数の放電部２６を連結している。なお、電極１４の複数の放電部２６のうちの一端に位置する放電部２６は、本体部１２の周方向の全周に渡って蒸着されており、他の放電部２６は、連結部３０と反対側の部分を除いて、本体部１２の周方向に延びるように蒸着されている。また、本体部１２の周方向の全周に渡って蒸着されている放電部２６には、本体部１２の端部に延び出すようにして、通電部３６が形成されている。
また、電極１６の複数の放電部２８は、本体部１２の外周面に、周方向に延びるように蒸着されており、電極１４の複数の放電部２６の間に位置するように、本体部１２の軸方向に並んで配設されている。なお、電極１６の複数の放電部２８のうちの電極１４の２つの放電部２６の間に位置する放電部２８は、電極１４の連結部３０を除いて、本体部１２の周方向に延びるように蒸着されており、残りの端に位置する放電部２８は、本体部１２の周方向の全周に渡って蒸着されている。その本体部１２の周方向の全周に渡って蒸着されている放電部２８には、本体部１２の端部に延び出すようにして、通電部３８が形成されている。また、電極１６の連結部３２は、本体部１２の外周面において、電極１４の放電部２６が蒸着されていない箇所に、本体部１２の軸方向に延びるように線状に蒸着されており、複数の放電部２８を連結している。このように、１対の電極１４，１６は、電極１４の放電部２６と電極１６の放電部２８とが、所定の間隔をおいて交互に並ぶように、本体部１２の外周面に蒸着されている。
また、ガラス管１８は、図１に示すように、本体部１２の外周面に配設されており、本体部１２の外周面に蒸着された１対の電極１４，１６全体を被覆している。これにより、高電圧が印加される電極１４，１６の露出を防止することが可能となり、安全が担保される。なお、電極１４，１６は、ガラス管１８により封止されているため、電極１４の放電部２６と電極１６の放電部２８との間にまで、ガラス管１８が入り込んでいる。
また、流通管２０は、本体部１２の内部に水を流すための配管であり、流通管２０の外径は、本体部１２の内径の半分程度である。そして、流通管２０は、図３に示すように、本体部１２の内部に挿入されている。なお、流通管２０の一端部、つまり、水を排出するための排出口は、電極１４が蒸着されている個所に相当する位置と、本体部１２の流通管２０が挿入される側の一端との間まで、本体部１２の内部に進入している。また、流通管２０の他端部には、ポンプ（図示省略）が接続されている。これにより、本体部１２の内部に、流通管２０を介して、水５０が流される。
また、流通管２０の本体部１２の内部に挿入されていない箇所には、気泡発生装置２２が配設されている。気泡発生装置２２は、流通管２０内を流れる水に気泡を発生させるための装置である。これにより、気泡を含んだ水５０が、流通管２０を介して、本体部１２の内部に流される。
＜プラズマ照射装置による水へのプラズマ照射＞
プラズマ照射装置１０は、上述した構成により、本体部１２内部に流れる水にプラズマを照射することで、プラズマ処理水を生成することが可能である。詳しくは、ポンプの作動により、本体部１２の内部に、流通管２０を介して、水が流される。この際、気泡発生装置２２により、流通管２０内の水に気泡が発生するため、本体部１２の内部を流れる水５０には、気泡が含まれている。
また、本体部１２と流通管２０との間から、矢印５２の方向に向かって、ガス供給装置（図示省略）によって処理ガス５６が供給される。これにより、本体部１２の内部は、流通管２０から供給された気泡を含む水５０と、ガス供給装置から供給された処理ガス５６とが、本体部１２の一端部から他端部に向かって流れる。なお、処理ガス５６は、窒素等の不活性ガスと、空気中の酸素等の活性ガスとを任意の割合で混合させたガスであってもよく、不活性ガス若しくは空気のみであってもよい。
本体部１２の内部に、水５０と処理ガス５６とが流されると、１対の電極１４，１６の通電部３６，３８に電圧が印加され、１対の電極１４，１６に電流が流れる。これにより、１対の電極１４，１６の放電部２６，２８の間に放電が生じる。この際、電極１４，１６は、絶縁体であるガラス管１８によって封止されているため、本体部１２の内部において放電が生じ、本体部１２の内部を流れる処理ガスがプラズマ化される。これにより、本体部１２の内部を流れる水５０にプラズマが照射され、本体部１２の他端部から、プラズマ照射された水、つまり、プラズマ処理水が排出される。
なお、気泡発生装置２２において発生する気泡に含まれるガスは、窒素等の不活性ガスと、空気中の酸素等の活性ガスとを任意の割合で混合させたガスであってもよく、不活性ガス若しくは空気のみであってもよい。このように、水５０にガスを含ませることで、電極１４，１６の放電部２６，２８の間に生じる放電によって、水５０に含まれる処理ガスもプラズマ化される。これにより、水５０は、外部からプラズマ照射されるだけでなく、内部からもプラズマ照射されるため、効果的に水５０のプラズマ処理を行うことが可能である。さらに、気泡発生装置２２により発生する気泡は、きわめて小さなサイズの気泡であり、水５０の内部に長い間留まる。このため、水５０の内部において、長い間、プラズマ照射が行われ、効果的に水５０のプラズマ処理が行われる。
このように、プラズマ照射装置１０では、流れる水５０にプラズマが照射されることから、多くの量のプラズマ処理水を生成することが可能である。また、流れる水５０にプラズマ照射されるため、プラズマ照射によるプラズマ処理水の高温化を防止することが可能となる。さらに、プラズマ照射装置１０では、本体部１２の内部に処理ガス５６が流されるため、順次、処理ガス５６がプラズマ化される。これにより、一定の条件下で、水５０にプラズマを照射することが可能となる。
また、プラズマ照射装置１０では、水５０を本体部１２の内部に流すための流通管２０が、本体部１２の内部に挿入されている。これにより、本体部１２の内部に流される処理ガス５６の影響を受けることなく、水５０を本体部１２の内部に流すことが可能となる。つまり、本体部１２の内部に流される処理ガス５６による水５０の波立ちを抑制することが可能となる。ただし、水５０と処理ガス５６とが最初に合流する箇所では、僅かであるが、水５０が波立つ虞がある。このことを考慮して、本体部１２の内部に挿入された流通管２０の端部は、電極１４が蒸着されている個所に相当する位置と、本体部１２の流通管２０が挿入される側の一端との間に位置している。これにより、水５０が、電極１４の蒸着されている個所に相当する位置まで流れた際には、水の波立ちを抑制することが可能となり、水５０へのプラズマ照射を適切に担保することが可能となる。
また、プラズマ照射装置１０では、電極１４，１６がガラス管１８によって被覆されているため、本体部１２の外周面での放電が抑制される。さらに、電極１４の放電部２６と電極１６の放電部２８との間にまで、ガラス管１８が入り込んでいるため、隣り合う放電部２６と放電部２８との間での放電が抑制される。これにより、本体部１２の内部において効率的に放電させ、処理ガスを効果的にプラズマ化させることが可能となる。
＜変形例１＞
上述したプラズマ照射装置１０に限られず、種々の構造のプラズマ照射装置を採用することが可能である。具体的には、例えば、図４に示すプラズマ照射装置６０を採用することが可能である。プラズマ照射装置６０は、電極６２，６４を除いて、実施例のプラズマ照射装置１０の構成要素と同じ構成要素を備えている。このため、プラズマ照射装置１０の構成要素と同じ構成要素については、プラズマ照射装置１０の構成要素と同じ符号を用い、それらの説明は省略する。
プラズマ照射装置６０の電極６２，６４は、プラズマ照射装置１０の電極１４，１６と同様に、本体部１２の外周面に蒸着されている。電極６２，６４は、図５に示すように、複数の放電部６６と複数の連結部６８とを有している。なお、図５は、電極６２，６４を本体部１２から取り外した状態を示す仮想図である。電極６２，６４の放電部６６は、プラズマ照射装置１０の電極１４，１６の放電部２６，２８の幅を狭くしたものと同様の形状をしている。また、電極６２，６４の連結部６８は、プラズマ照射装置１０の電極１４，１６の連結部３０，３２と同様に、複数の放電部６６を連結している。そして、電極６２は、プラズマ照射装置１０の電極１４と同様に、本体部１２の外周面に蒸着され、電極６４は、プラズマ照射装置１０の電極１６と同様に、本体部１２の外周面に蒸着されている。つまり、プラズマ照射装置６０は、プラズマ照射装置１０の放電部２６，２８の幅を狭くするとともに、放電部２６，２８の数を増やした形状の装置である。このような形状のプラズマ照射装置６０を採用することで、放電量を増やすことが可能となり、効率的に処理ガスをプラズマ化させることが可能となる。
＜変形例２＞
また、例えば、図６に示すプラズマ照射装置７０を採用することが可能である。プラズマ照射装置７０は、電極７２，７４を除いて、実施例のプラズマ照射装置１０の構成要素と同じ構成要素を備えている。このため、プラズマ照射装置１０の構成要素と同じ構成要素については、プラズマ照射装置１０の構成要素と同じ符号を用い、それらの説明は省略する。なお、プラズマ照射装置７０は、図示しないが、ガラス等の絶縁体により封止されている。
プラズマ照射装置７０の電極７２は、図７に示すように、複数の放電部７６と連結部７８とを有しており、電極７４は、複数の放電部８０と連結部８２とを有している。なお、図７は、電極７２，７４を本体部１２から取り外した状態を示す仮想図である。
電極７２，７４の複数の放電部７６，８０は、概して円環状をしており、放電部７６，８０の内径は、本体部１２の外径より僅かに大きい。そして、放電部７６と放電部８０とが、本体部１２の軸線方向に交互に並ぶように、所定の間隔をおいて、本体部１２の外周面に嵌合されている。また、電極７２の連結部７８は、放電部７６，８０から径方向に僅かに離間した状態で配設されており、複数の放電部７６に連結されている。一方、電極７４の連結部８２は、電極７２の連結部７８の反対側において、放電部７６，８０から径方向に僅かに離間した状態で配設されており、複数の放電部８０に連結されている。これにより、電極７２，７４の放電部７６，８０が所定の間隔をおいて交互に並ぶようにして、１対の電極７２，７４が本体部１２の外周面に配設される。このような構造のプラズマ照射装置７０においても、好適にプラズマ処理水を生成することが可能である。
＜変形例３＞
また、上記実施例および変形例のプラズマ照射装置１０，６０，７０では、円筒状の本体部１２が採用されているが、角筒状の本体部を採用することが可能である。具体的には、図８に示すように、プラズマ照射装置１００は、角筒状の本体部１０２と、１対の電極１０４，１０６とを備えている。本体部１０２は、サファイアガラスにより成形されており、断面形状が矩形の角筒状をしている。また、電極１０４，１０６は、平板状をしており、本体部１０２の向かい合う１対の外壁面に配設されている。
また、プラズマ照射装置１００は、本体部１０２の内寸より小さな外寸の流通管（図示省略）を備えており、その流通管は、それの端部が本体部１０２の内部に位置するように、本体部１０２の内部に挿入されている。なお、流通管は、上記プラズマ照射装置１０の流通管２０と同様の機能を有している。また、本体部１０２に挿入される流通管には、本体部１０２に挿入されていない箇所において、上記プラズマ照射装置１０の気泡発生装置２２と同じ機能の気泡発生装置（図示省略）が配設されている。
このような構造において、プラズマ照射装置１００でも、プラズマ照射装置１０と同様に、プラズマ処理水を生成することが可能である。詳しくは、本体部１０２の内部に、流通管を介して、気泡を含んだ水が流される。また、本体部１０２に挿入された流通管と本体部１０２との間から、処理ガスが供給される。そして、１対の電極１０４，１０６に電圧が印加され、１対の電極１０４，１０６に電流が流れる。この際、１対の電極１０４，１０６の間、つまり、本体部１０２の内部において放電が生じ、本体部１０２の内部を流れる処理ガスがプラズマ化される。これにより、本体部１０２の内部を流れる水にプラズマが照射される。このように、プラズマ照射装置１００においても、プラズマ照射装置１０と同様に、プラズマ処理水を生成することが可能である。
ちなみに、プラズマ照射装置１０は、プラズマ照射装置の一例である。本体部１２は、筒状の部材の一例である。電極１４，１６は、電極の一例である。ガラス管１８は、被覆部材の一例である。流通管２０は、流通装置の一例である。気泡発生装置２２は、気体発生装置の一例である。放電部２６，２８は、放電部の一例である。プラズマ照射装置６０は、プラズマ照射装置の一例である。電極６２，６４は、電極の一例である。放電部６６は、放電部の一例である。プラズマ照射装置７０は、プラズマ照射装置の一例である。電極７２，７４は、電極の一例である。放電部７６，８０は、放電部の一例である。プラズマ照射装置１００は、プラズマ照射装置の一例である。本体部１０２は、筒状の部材の一例である。電極１０４，１０６は、電極の一例である。
プラズマ照射装置１０，６０，７０，１００によって水にプラズマを照射する方法は、プラズマ照射方法の一例である。本体部１２，１０２の内部に水を流す工程は、液体流通工程の一例である。電極１４，１６，６２，６４，７２，７４，１０４，１０６により処理ガスをプラズマ化させる工程は、プラズマ化工程の一例である。本体部１２，１０２の内部に処理ガスを流す工程は、気体流通工程の一例である。気泡発生装置２２により水の内部に気泡を発生させる工程は、気泡発生工程の一例である。
なお、本発明は、上記実施例および変形例に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した種々の態様で実施することが可能である。具体的には、例えば、上記実施例および変形例では、水にプラズマが照射されているが、種々の液体にプラズマを照射することが可能である。
１０：プラズマ照射装置 １２：本体部（筒状の部材） １４，１６：電極 １８：ガラス管（被覆部材） ２０：流通管（流通装置） ２２：気泡発生装置 ２６，２８：放電部 ６０：プラズマ照射装置 ６２，６４：電極 ６６：放電部 ７０：プラズマ照射装置 ７２，７４：電極 ７６，８０：放電部 １００：プラズマ照射装置 １０２：本体部（筒状の部材） １０４，１０６：電極

Claims (7)

  1. 液体にプラズマを照射するプラズマ照射方法であって、
    当該プラズマ照射方法が、
    絶縁体材料により成形された筒状の部材の一端から挿入された流通管であって、当該流通管の一端が前記筒状の部材の内部に位置した状態で配設された流通管から前記筒状の部材の内部に、所定の空間を残した状態で液体を流す液体流通工程と、
    前記筒状の部材の外壁面に沿って配設された１対の電極への電圧の印加により、前記所定の空間に存在する気体をプラズマ化させるプラズマ化工程と、
    前記所定の空間に気体を流す気体流通工程と、
    を含み、
    当該プラズマ照射方法が、
    前記プラズマ化工程と前記気体流通工程の前であって、かつ、前記液体流通工程により前記筒状の部材の内部に液体が流される前に液体の内部に気泡を発生させる気泡発生工程を含むことを特徴とするプラズマ照射方法。
  2. 前記気体流通工程により気体は前記筒状の部材の内部の上側を流れ、前記液体流通工程により液体は前記筒状の部材の内部の下側を流れることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ照射方法。
  3. 絶縁体材料により成形された筒状の部材と、
    前記筒状の部材の外壁面に沿って配設された１対の電極と、
    前記筒状の部材の内部に所定の空間を残した状態で液体を流す流通管と、
    前記所定の空間に気体を流す気体流通装置と
    を備え、前記１対の電極への電圧の印加により、前記所定の空間に存在する気体をプラズマ化させて、前記筒状の部材の内部を流れる液体にプラズマを照射するプラズマ照射装置であって、
    前記流通管が、
    前記筒状の部材の一端から挿入され、当該流通管の一端が前記筒状の部材の内部に位置する状態で配設され、
    当該プラズマ照射装置が、
    気体のプラズマ化および前記気体流通装置による気体の流通前であって、かつ、前記流通管により前記筒状の部材の内部に流される前の液体の内部に気泡を発生させる気泡発生装置を備えることを特徴とするプラズマ照射装置。
  4. 前記流通管の一端が、
    前記筒状の部材の内部において、前記１対の電極が配設されている外壁面での径方向の位置と、前記筒状の部材の前記流通管が挿入されている側の一端との間に位置することを特徴とする請求項３に記載のプラズマ照射装置。
  5. 前記気体流通装置により気体は前記筒状の部材の内部の上側を流れ、前記流通管により液体は前記筒状の部材の内部の下側を流れることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のプラズマ照射装置。
  6. 前記１対の電極の各々が、
    前記筒状の部材の外壁面の周方向に延びるように配設される複数の放電部を有し、
    前記１対の電極の一方の前記放電部と他方の前記放電部とが、前記筒状の部材の軸方向に延びるように、離間した状態で交互に配設されることを特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれか１項に記載のプラズマ照射装置。
  7. 当該プラズマ照射装置が、
    絶縁体材料により成形され、前記筒状の部材の外壁面に沿って配設された１対の電極を覆う被覆部材を備えることを特徴とする請求項３ないし請求項６のいずれか１つに記載のプラズマ照射装置。
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