JP6662252B2 - 流体浄化装置および流体浄化方法 - Google Patents

流体浄化装置および流体浄化方法 Download PDF

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本発明は、放電で発生させたオゾンやラジカルなどの活性種により液体や気体などの流体を浄化する流体浄化装置および流体浄化方法に関する。
家庭排水や工場排水などを浄化するための水処理装置や、室内や車内の空気を浄化するための空気清浄装置では、ガス放電により生成したオゾンやラジカルなどの活性種により、水中や空気中に含まれる有機物や細菌を分解処理して水や空気などの流体を浄化している。
従来の流体浄化装置である水処理装置では、線状電極と、この線状電極を囲って設けられた円筒状電極との間に、１０ｋＶ以上の高電圧パルスを繰り返し印加することで、電極間のガス空間にストリーマ放電を発生させ、水滴状態の被処理水を上方からガス空間に噴霧して被処理水を浄化していた。そして、高電圧パルスのパルス幅を所定時間より短い最適値に設定することによって、エネルギー利用効率を向上させ、高電圧パルスの繰り返し周波数を増加することで、ガス放電により生成されるオゾンやラジカルなどの活性種の生成量を増加させ、被処理水の浄化能力を向上させていた（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１１−１８２２０７号公報
しかしながら、特許文献１に記載された従来の流体浄化装置にあっては、オゾンやラジカルなどの活性種の生成量を増加させるために、高電圧パルスの繰り返し周波数を増加すると、高電圧パルスが印加されてから次の高電圧パルスが印加されるまでの電圧休止期間が短くなる。この結果、高電圧パルスが印加される直前に電極間のガス空間に残留するイオンや電子などの荷電粒子の残留量が増加し、電極間にスパーク放電が発生し易くなるため、高電圧パルスの繰り返し周波数をより増加させて、活性種の生成量をより増加させることができないという問題点があった。
本発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、電極間のガス空間に放電を発生させる電圧パルスの繰り返し周波数をより増加させることができる流体浄化装置および流体浄化方法を提供することを目的とする。
本発明に係る流体浄化装置は、液体が流れる流路と、流路を挟んで設けられた第１の電極および第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に放電を発生させる電圧パルスを周期的に発生するパルス電源部と、電圧パルスによって第１の電極と第２の電極との間に発生した放電が終了した後に第１の電極と第２の電極との間に印加される第１の電極と第２の電極との間に放電を発生させない電圧値の電荷除去電圧を発生する電荷除去電圧発生部と、を備え、第１の電極及び流路の間には、ガスが充満するガス空間が設けられ、流路は、平面状に形成された第２の電極上に設けられ、第２の電極は、上方から下方へ液体が流れるように傾いている。
また、本発明に係る流体浄化方法は、平面状に形成された前記第２の電極上に設けられ、液体が流れる流路を挟んで設けられた第１の電極と、上方から下方へ前記液体が流れるように傾いている第２の電極との間に電圧パルスを印加し、第１の電極と第２の電極との間に放電を発生させるステップと、電圧パルスによって第１の電極と第２の電極との間に発生した放電が終了した後に、第１の電極と第２の電極との間に放電を発生させない電圧値の電荷除去電圧を第１の電極と第２の電極との間に印加するステップと、を備える。
本発明に係る流体浄化装置によれば、パルス電源部が周期的に発生する電圧パルスによって電極間に発生した放電が終了した後にガス空間に残留する荷電粒子を電荷除去電圧発生部が発生する電荷除去電圧によって電極側に移動して減少させるので、電圧パルスの繰り返し周波数をより増加させることができる。
また、本発明に係る流体浄化方法によれば、電極間に印加された電圧パルスによってガス空間に発生した放電が終了した後にガス空間に残留する荷電粒子を電荷除去電圧によって電極側に移動して減少させるので、電圧パルスの繰り返し周波数をより増加させることができる。
本発明の実施の形態１における流体浄化装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態１における流体浄化装置の要部構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態１における流体浄化装置の電極間に印加される電圧波形を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態１における流体浄化装置が被処理水の浄化処理を行っている間の流体浄化方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１における流体浄化装置の電極間の様子を示す模式図である。 比較例の従来の流体浄化装置流体浄化装置の電極間に印加される電圧波形を示すタイムチャートである。 比較例の従来の流体浄化装置の電極間の様子を示す模式図である。 本発明の実施の形態１における流体浄化装置の電源部の他の回路構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態１における流体浄化装置の電源部の他の回路構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態２における流体浄化装置の要部構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態２における流体浄化装置の電極間に印加される電圧波形を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態３における流体浄化装置の電極間に印加される電圧波形を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態４における流体浄化装置の要部構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態４における流体浄化装置の電極間に印加される電圧波形を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態４における流体浄化装置の電極間に印加される電圧波形を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態５における流体浄化装置の要部構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態５における流体浄化装置の電極間に印加される電圧波形を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態５における流体浄化装置の他の要部構成を示す模式図である。
実施の形態１．
まず、本発明の実施の形態１における流体浄化装置の構成を説明する。図１は、本発明の実施の形態１における流体浄化装置を示す構成図である。図１に示す流体浄化装置１００は、より具体的には下水など、有機物を含み、水を主成分とする液体を浄化する水処理装置であるが、本発明の流体浄化装置１００は、水処理装置に限定されず、他の液体を浄化する液体浄化装置であってもよい。また、空気や排気ガスなどの気体を浄化する気体浄化装置であってもよい。
図１において、流体浄化装置１００は、被処理水Ｆを浄化処理するプラズマ処理部４０を内部に備える処理槽１０と、プラズマ処理部４０に電力を供給する電源部３０と、処理槽１０に放電ガスを供給するガス供給源２３と、電源部３０とガス供給源２３から処理槽１０に供給される放電ガスの供給量を調整する流量調整器２２とを制御する制御装置２１と、を備えている。
処理槽１０の壁面には、流体である被処理水Ｆが処理槽１０に流入する流入口１１と、流入口１１から流入してプラズマ処理部４０で処理された被処理水Ｆが処理槽１０から流出する流出口１２とが設けられており、さらに放電ガスが吸気される吸気口１３と、放電ガスが排気される排気口１４とが設けられている。また、プラズマ処理部４０に設けられた第１の電極である高圧側電極４３と第２の電極である低圧側電極４４との間に電力を供給するために、処理槽１０の外部に設けられた電源部３０と処理槽１０の内部に設けられた高圧側電極４３および低圧側電極４４と電気的に接続するための給電端子１５ａ、１５ｂが設けられている。
なお、低圧側電極４４は、接地電位に対する電位差の絶対値が高圧側電極４３より小さい電圧が印加される電極である。図１では、低圧側電極４４は接地電位５３に電気的に接続されているので、低圧側電極４４の電位は接地電位である。一方、高圧側電極４３は、接地電位との電位差の絶対値が低圧側電極４４より大きい電圧が印加される電極である。本発明では電圧の大小を言う場合に、高圧側あるいは高電圧側、低圧側あるいは低電圧側という場合があるが、高圧側あるいは高電圧側とは、接地電位との電位差の絶対値が低圧側あるいは低電圧側より大きい側をいう。従って、例えば、高圧側電極に負電圧が印加される場合であっても、接地電位との電位差の絶対値が低圧側電極より大きい場合には、高圧側あるいは高電圧側という。
処理槽１０内の流入口１１と流出口１２との間には、プラズマ処理部４０が設けられている。プラズマ処理部４０は、被処理水Ｆが上部を流れるように平面状に形成された低圧側電極４４と、低圧側電極４４の上方に設けられた高圧側電極４３とを備え、低圧側電極４４上には被処理水Ｆが流れる流路４１が設けられており、流路４１と高圧側電極４３との間にはガス空間４２が設けられている。すなわち、高圧側電極４３と低圧側電極４４との間には、浄化される流体が流れる流路４１とガス空間４２とが設けられている。高圧側電極４３および低圧側電極４４は、ステンレス鋼やチタンなど耐腐食性に優れた金属で形成されており、浄化される流体の種類によって適宜選択される。
低圧側電極４４は、支持部１６ａおよび支持部１６ｂによって、流入口１１側が上方に傾いた状態で処理槽１０に固定され、流入口１１から流入して低圧側電極４４の流入口１１側に流入した被処理水Ｆが、重力により低圧側電極４４上を流出口１２側に向かって流れるようになっている。すなわち、低圧側電極４４の上部は被処理水Ｆが流れる流路４１となっている。低圧側電極４４上の流路４１を流れた被処理水Ｆは、低圧側電極４４の流出口１２側端部から、流出口１２に向かって流れ、流出口１２から処理槽１０の外部に流出する。被処理水Ｆは、低圧側電極４４の表面から被処理水Ｆの表面までの厚さが数ｍｍ程度、例えば、１ｍｍ程度の膜状になって、平面状の低圧側電極４４の表面を覆うように低圧側電極４４上を流れる。
高圧側電極４３は、被処理水Ｆが流れる方向に直交する線状電極やリボン状電極であってよい。リボン状電極である場合には、幅方向が平面状の低圧側電極４４の表面に直交するように配置されるのが好ましい。また、高圧側電極４３は、低圧側電極４４の方に先端が向いた針状電極や、低圧側電極４４に平行に配置された平板状電極であってもよい。高圧側電極４３は、被処理水Ｆの表面からの最短距離、すなわち、ガス空間４２の間隔がほぼ一定となるように、処理槽１０と電気的に絶縁された支持部（図示せず）で支持され、処理槽１０に固定されている。図１に示すように、高圧側電極４３は、流路４１に沿って所定の間隔で複数設けられているのが好ましいが、１つであってもよい。高圧側電極４３と被処理水Ｆの表面との間隔は、１ｍｍ以上、５０ｍｍ以下とするのが好ましく、例えば、１０ｍｍであってよい。高圧側電極４３と被処理水Ｆの表面との間隔が１ｍｍ未満の場合には、複数の高圧側電極４３それぞれにおける放電状態のばらつきが大きくなり、５０ｍｍを超える場合には、放電形成に非常に高い電圧が必要になるためである。
ガス供給源２３は、放電ガスを処理槽１０内に供給する。放電ガスは、処理される流体の種類に応じて単体ガスや混合ガスを適宜選択することができ、処理される流体が有機物を含む液体や気体の場合には、酸素ガスを用いるのが好ましく、酸素ガスに希ガスを混合した混合ガスを用いてもよい。希ガスを混合させることで、比較的低い電圧であっても、電極間の放電を安定して発生させることができる。本発明でいう電極間とは、高圧側電極４３と低圧側電極４４との間である。本実施の形態１では、流体浄化装置が水処理装置である場合について説明するので、ガス供給源２３から供給される放電ガスは酸素ガスであるとして説明する。なお、酸素ガスの代わりに空気を用いてもよい。空気を用いることで放電ガスの低コスト化を図ることができる。また、流体浄化装置が排気ガスなどの空気を浄化する空気清浄装置である場合には、ガス供給源から放電ガスを供給せずに、流入口から処理槽に流入する被処理ガスを放電ガスとしてよい。
処理槽１０内に供給される酸素ガスの量は、処理槽１０とガス供給源２３との間に設けられた流量調整器２２によって調整され、吸気口１３から酸素ガスが処理槽１０内に吸気される。一方、排気口１４からは、処理槽１０内のガスが排気されるため、ガス供給源２３から酸素ガスが供給され始めてから所定時間経過後には処理槽１０内に高酸素濃度雰囲気が形成され、プラズマ処理部４０のガス空間４２も酸素ガスで充満される。そして、プラズマ処理部４０の高圧側電極４３と低圧側電極４４との間でガス放電を起こすことにより、ガス空間４２の酸素ガスが、オゾンや、水を介して過酸化水素やオゾンよりも活性の高いヒドロキシルラジカルなどの活性種に変化し、これらの活性種が被処理水Ｆの有機物を分解して被処理水Ｆを浄化する。
プラズマ処理部４０に電力を供給する電源部３０は、高圧側電極４３と低圧側電極４４との間にガス放電を発生させる大きさの電圧値の高電圧パルスを出力するパルス電源部３１と、高圧側電極４３と低圧側電極４４との間に放電を発生させない大きさの電圧を発生する電荷除去電圧発生部３２とを有する。詳細は後述するが、電荷除去電圧発生部３２が発生して高圧側電極４３と低圧側電極４４との間に印加される電圧は、パルス電源部３１から出力された高電圧パルスによるガス放電で発生した電子やイオンなどの荷電粒子を、高圧側電極４３および低圧側電極４４に引き寄せることで、高圧側電極４３と低圧側電極４４との間のガス空間４２から荷電粒子を除去するための電圧である。
電源部３０が、高電圧パルスを発生するパルス電源部３１とは別体として電荷除去電圧発生部３２を備えているので、高電圧パルスの電圧値やパルス幅と電荷除去電圧発生部が発生する電圧値などの諸条件とをそれぞれ独立に設定することができるため、高電圧パルスのエネルギー利用効率を最適値に維持したまま、ガス空間４２に残留する荷電粒子を除去する条件設定を容易に最適化することができる。なお、本発明でいう高電圧パルスとは、パルス電源部３１から電極間に放電を起こすために出力される電圧パルスをいい、本発明で説明する他の電圧パルスより電圧の絶対値が大きいため、他の電圧パルスと区別するために高電圧パルスと呼ぶ場合がある。
制御装置２１は、制御配線２４で電源部３０に接続され、制御配線２５で流量調整器２２に接続されている。制御装置２１は、電源部３０のパルス電源部３１が出力する高電圧パルスの電圧値やパルス幅、高電圧パルスの繰り返し周波数の制御、電荷除去電圧発生部３２が発生する電圧値や発生時間など諸条件の制御、および流量調整器２２により処理槽１０に吸気される酸素ガスの流量の制御などを行う。制御装置２１は、電源部３０のパルス電源部３１と電荷除去電圧発生部３２とをそれぞれ独立に条件設定し、それぞれ独立に制御することができる。例えば、制御装置２１は、電荷除去電圧発生部３２が発生する電圧の電圧値を設定した後に、パルス電源部３１が発生する高電圧パルスの電圧値を設定する。
次に、電源部３０およびプラズマ処理部４０の構成についてさらに詳しく説明する。
図２は、本発明の実施の形態１における流体浄化装置の要部構成を示す模式図である。図２は、図１で示した流体浄化装置１００の電源部３０およびプラズマ処理部４０の構成を模式的に示したものである。図１で説明したように、低圧側電極４４上には被処理水Ｆの流路４１が設けられているが、図２では省略している。また、図１で説明したように、高圧側電極４３は並列に複数設けられているが、図２ではそのうちの１つを示したものであり、ガス空間４２はほぼ１気圧の酸素ガスで満たされている。
図２に示すように、電源部３０は、高圧側端子が高圧側配線５１によって、高圧側電極４３に電気的に接続され、低圧側端子が低圧側配線５２によって、低圧側電極４４に電気的に接続されている。また、低圧側配線５２は接地電位５３と同電位となっており、低圧側電極４４の電位は接地電位になっている。そして、電源部３０は、高圧側電極４３と低圧側電極４４とからなるプラズマ処理部４０に並列に接続された電荷除去電圧発生部３２とパルス電源部３１とを備えている。
パルス電源部３１は、接地電位５３と同電位に接続された低圧側端子３１ｂと、低圧側端子３１ｂよりも絶対値が大きい電圧を出力する高圧側端子３１ａとを有している。電荷除去電圧発生部３２は、高圧側電極４３と同電位に接続された第１の端子３２ａと、低圧側電極４４およびパルス電源部３１の低圧側端子３１ｂと同電位に接続された第２の端子３２ｂと、パルス電源部３１の高圧側端子３１ａと同電位に接続された第３の端子３２ｃとを有している。そして、パルス電源部３１が発生する電圧パルスと電荷除去電圧発生部３２が発生する電圧とが高圧側電極４３に印加されるようになっている。
電荷除去電圧発生部３２は、第１の端子３２ａと第２の端子３２ｂとの間に設けられた直流電源３５と、直流電源３５に直列接続された高域遮断フィルタ３４とを有し、直流電源３５と高域遮断フィルタ３４との直列接続回路の一端が、高圧側電極４３に高圧側配線５１によって電気的に接続され、直流電源３５と高域遮断フィルタ３４との直列接続回路の他端が、低圧側電極４４に低圧側配線５２によって電気的に接続される。また、電荷除去電圧発生部３２は、直流電源３５と高域遮断フィルタ３４との直列接続回路と第３の端子３２ｃとの間に接続された低域遮断フィルタ３３を有する。図２に示すように、低域遮断フィルタ３３は、一端が高圧側電極４３と同電位に接続され、他端がパルス電源部３１の高電圧側と同電位に接続される。
高域遮断フィルタ３４は、パルス電源部３１から出力された高電圧パルスの高い電圧が直流電源３５に印加されるのを防止するために設けられている。従って、パルス電源部３１から出力された高電圧パルスが減衰されて、直流電源３５の耐電圧以下の低い電圧として直流電源３５に印加されるようにするものであれば、高域遮断フィルタ３４に限らず他の構成の減衰器であってもよい。本発明では、高域遮断フィルタ３４をはじめ、このような高電圧パルスが減衰されて直流電源３５に印加されるようにする減衰器を第１の減衰器と呼ぶ。第１の減衰器としては、高域遮断フィルタ３４の他に、ダイオードなどの整流器や抵抗器などがある。
また、低域遮断フィルタ３３は、電荷除去電圧発生部３２の直流電源３５から出力された直流電圧がパルス電源部３１に印加されるのを防止するために設けられている。従って、直流電源３５から出力された直流電圧が減衰されて、パルス電源部３１の耐電圧以下の低い電圧としてパルス電源部３１に印加されるようにするものであれば、低域遮断フィルタ３３に限らず他の構成の減衰器であってもよい。本発明では、低域遮断フィルタ３３をはじめ、このような電荷除去電圧発生部３２が発生した電圧が減衰されてパルス電源部３１に印加されるようにする減衰器を第２の減衰器と呼ぶ。第２の減衰器としては、高域遮断フィルタ３４の他に、変圧器、ダイオードなどの整流器、あるいはスイッチング素子などの開閉素子などがある。
図２に示すように、高域遮断フィルタ３４は、例えば、インダクタで構成してよく、パルス電源部３１から出力される高周波成分を多く含む高電圧パルスを遮断して、直流電源３５に高電圧パルスの大きな電圧が印加されないようにするとともに、直流電源３５から出力される直流電圧を低損失で通過させて、高圧側電極４３に印加されるようにしている。すなわち、高域遮断フィルタ３４は、高電圧パルスに含まれる周波数の減衰率が直流よりも大きい特性を有する。高域遮断フィルタ３４は、インダクタに限るものではなく、パルス電源部３１から出力される高電圧パルスに含まれる高周波数成分を遮断あるいは大幅に減衰させるとともに、直流電源３５から出力される直流電圧を低損失で通過させる周波数特性を有するものであれば、インダクタの他に抵抗やキャパシタなどを含む他の回路構成からなる高域遮断フィルタであってもよい。
また、図２に示すように、低域遮断フィルタ３３は、例えば、キャパシタで構成してよく、パルス電源部３１から出力され、高周波成分を多く含む高電圧パルスを低損失で通過させて高圧側電極４３に印加させるともに、直流電源３５から出力される直流電圧を遮断あるいは大幅に減衰させて、直流電圧がパルス電源部３１に印加されないようにしている。すなわち、低域遮断フィルタ３３は、直流の減衰率が高電圧パルスに含まれる周波数よりも大きい特性を有する。低域遮断フィルタ３３は、キャパシタに限るものではなく、直流電源３５から出力される直流電圧を遮断あるいは大幅に減衰させるとともに、パルス電源部３１から出力される高電圧パルスを低損失で通過させる周波数特性を有するものであれば、キャパシタの他に抵抗やインダクタなどを含む他の回路構成からなる低域遮断フィルタであってもよい。
パルス電源部３１は、例えば、最大電圧が１ｋＶ以上、５０ｋＶ以下、パルス幅が１０ｎｓ以上、１μｓ以下の高電圧パルスを、１０ｐｐｓ（ｐｕｌｓｅ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ）以上、１００ｋｐｐｓ以下の繰り返し周波数で出力する。最大電圧が１ｋＶ未満では安定した放電が形成されず、５０ｋＶ超とすると、電源部３０の大型化及び電気絶縁の困難化により、製造コストや保守コストが著しく増加するためである。また、高電圧パルスのパルス幅が１０ｎｓ未満では安定した放電が形成されず、１μｓ超では後述するスパーク放電の発生確率が増加し、ラジカル生成効率が著しく低下するためである。さらに、高電圧パルスの繰返し周波数が１０ｐｐｓ未満では、十分な放電電力を投入するために非常に高い電圧が必要になり、逆に１００ｋｐｐｓよりも大きくすると、ラジカル生成量が飽和し、電力効率が低下するためである。なお、浄化処理される流体に応じて、これら電圧最大値、パルス幅、繰返し周波数は調整するようにしてもよい。
高電圧パルスの最大電圧は、高圧側電極４３と低圧側電極４４との間の放電開始電圧より大きい電圧値に設定されているため、高圧側電極４３と低圧側電極４４との間に高電圧パルスが印加されると、ガス空間４２にストリーマ状の放電Ｄが発生し、放電Ｄによってラジカルや荷電粒子がガス空間４２に生成される。
高電圧パルスは、パルスの繰り返し周期に比べてパルス幅が短く、高圧側電極４３と低圧側電極４４との間への高電圧パルスの印加が終了すると、放電Ｄは終了し、ガス空間４２における荷電粒子の生成が終了する。高圧側電極４３と低圧側電極４４との間への高電圧パルスの印加が終了しても、高圧側電極４３と低圧側電極４４との間には電荷除去電圧発生部３２の直流電源３５から出力された直流電圧が印加されているので、高圧側電極４３と低圧側電極４４との間の電圧は０になることはない。なお、電荷除去電圧発生部３２から出力される直流電圧は、高圧側電極４３と低圧側電極４４との間で起こった放電Ｄを持続させる放電維持電圧より低く設定されているため、高圧側電極４３と低圧側電極４４との間に、電荷除去電圧発生部３２が発生した電圧が印加されていても、高圧側電極４３と低圧側電極４４との間で放電Ｄが起こることは無く、ガス空間４２に荷電粒子は生成されない。
電荷除去電圧発生部３２の直流電源３５が出力する直流電圧の電圧値は、電極間に高電圧パルスが印加されていない期間に、電極間に放電が発生しない電圧値に調整すればよく、直流電圧の絶対値は電極間に放電が発生しない範囲内で大きい方が好ましい。電極間に放電が発生しているか否かは、高圧側配線５１や低圧側配線５２の電流を測定して判定してよく、また、高圧側電極４３と低圧側電極４４との間のガス空間４２から放電により放射される光を検出して判定してもよい。
なお、本発明において放電が発生していないとは、高圧側電極４３と低圧側電極４４との間のガス空間４２に、高圧側電極４３と低圧側電極４４との間に印加される電圧による新たな荷電粒子の生成が生じない状態をいう。従って、電極間の荷電粒子が移動することに伴い微小な電流が検出される場合があるが、このような微小な電流と放電が発生している際に流れる電流とは電流値の大きさが桁違いに異なるので電流値が急激に変化する点を有する。従って、電流値が急激に変化する点の電流値を閾値として、放電が発生しているか否かを判定してもよい。また、電極間で放電が発生しているときには、電極間のガス空間４２に新たな荷電粒子が生成され、荷電粒子の生成に伴う光がガス空間４２から放射される。従って、ガス空間４２から放射される光を分光して、荷電粒子の生成に伴う放射光の有無をもって、電極間に放電が発生しているか否かをより精度良く判定することができる。
パルス電源部３１、電荷除去電圧発生部３２、および高圧側配線５１は、１つの金属筺体内に収納してよい。これらを１つの金属筺体内に収納することで、パルス電源部３１から発生した電磁ノイズが周囲へ放射されるのを抑制することができる。また、流体浄化装置１００の全体を金属筺体内に収納してもよい。
次に、本発明の流体浄化装置１００の動作について説明する。
流体浄化装置１００を起動すると、制御装置２１が流量調整器２２を制御し、酸素ガスがガス供給源２３から予め設定された流量で処理槽１０内に供給される。処理槽１０内に酸素ガスを供給し始めてから所定時間経過後に、処理槽１０内は高酸素濃度雰囲気になる。
次に、制御装置２１が電源部３０の電荷除去電圧発生部３２が発生する電圧値を設定する。そして、設定された電圧値の直流電圧が、電荷除去電圧発生部３２の直流電源３５から出力される。電荷除去電圧発生部３２から出力された直流電圧は、高圧側電極４３と低圧側電極４４との間に印加される。この直流電圧は、後述するように、電極間に高電圧パルスが印加されて発生したストリーマ状の放電Ｄによって生成された荷電粒子を両電極に引き寄せて除去するための電圧であり、本発明では電荷除去電圧と呼ぶ。
次に、制御装置２１が電源部３０のパルス電源部３１が発生する高電圧パルスの電圧値、パルス幅、繰り返し周波数などの条件を設定する。そして、設定された高電圧パルスが、パルス電源部３１から出力される。パルス電源部３１から出力された高電圧パルスは、高圧側電極４３と低圧側電極４４との間に印加される。高圧側電極４３と低圧側電極４４との間に高電圧パルスが印加されている期間内にガス空間４２に放電Ｄが発生する。
流体浄化装置１００で被処理水Ｆの浄化処理を行っている間は、高圧側電極４３と低圧側電極４４との間に電荷除去電圧が印加され続け、所定の繰り返し周期で高電圧パルスが印加され続ける。なお、制御装置２１は、被処理水Ｆの浄化処理を行っている間中、高電圧パルスの最大電圧値、パルス幅、繰り返し周波数などの条件や、電荷除去電圧の電圧値を一定に保持してもよいが、被処理水Ｆの流入量や被処理水Ｆの水質を計測する水質計からの情報、あるいは高電圧パルス印加時の電流や電荷除去電圧印加時の電流などに基づいて、高電圧パルスの最大電圧値、パルス幅、繰り返し周波数などの条件や、電荷除去電圧の電圧値を変化させてもよい。
被処理水Ｆの浄化処理が終了すると、制御装置２１は、パルス電源部３１からの高電圧パルスの出力を停止し、直流電源３５からの直流電圧の出力を停止する。そして、制御装置２１は、流量調整器２２を制御して、ガス供給源２３から処理槽１０内への酸素ガスの供給を停止する。なお、ここでは制御装置２１が、電源部３０や流量調整器２２の制御を自動的に行う場合について説明したが、適宜手動や他の制御装置を用いて行ってもよい。また、ここで説明した順序は適宜入れ替えてもよい。
次に、被処理水Ｆの浄化処理を行っている間の動作について、さらに詳しく説明する。図３は、本発明の実施の形態１における流体浄化装置の電極間に印加される電圧波形を示すタイムチャートである。また、図４は、本発明の実施の形態１における流体浄化装置が被処理水の浄化処理を行っている間の流体浄化方法を示すフローチャートである。
図２に示すように、本実施の形態１では、低圧側電極４４が接地電位であるので、図３に示す電圧波形は、高圧側電極４３に印加される電圧波形である。図３において、横軸は時間、縦軸は電圧の大きさであり、縦軸の最下部は接地電位である０Ｖを示している。また、図３中に記したＶＤｂは、高圧側電極４３と低圧側電極４４との間に放電Ｄを発生させるための放電開始電圧であり、ＶＤｓは、高圧側電極４３と低圧側電極４４との間に発生した放電Ｄが持続可能な最小の電圧である放電維持電圧である。
また、図３中に記したＶＰ１およびＶＰ２は、パルス電源部３１から出力される高電圧パルスである。高電圧パルスＶＰ１およびＶＰ２の最大値は放電開始電圧ＶＤｂより大きいので、電極間に高電圧パルスＶＰ１あるいはＶＰ２が印加されると、電極間にはガス放電が発生する。高電圧パルスＶＰ１は時刻Ｔ１において出力されており、高電圧パルスＶＰ２は時刻Ｔ４において出力されている。図３中に示したＶＲは、電荷除去電圧発生部３２が発生する電荷除去電圧であり、図２の直流電源３５が出力する直流電圧である。すなわち、電荷除去電圧は電圧値がＶＲの直流電圧であり、｜ＶＲ｜＜｜ＶＤｓ｜である。図２に示した構成においては、電荷除去電圧ＶＲは常に発生しており、高電圧パルスＶＰ１、ＶＰ２の電圧値が電荷除去電圧ＶＲより下回ると、電荷除去電圧ＶＲが高圧側電極４３と低圧側電極４４との間に印加される。従って、図３に示すように高圧側電極４３と低圧側電極４４との間の電圧は、高電圧パルスＶＰ１、ＶＰ２が無い期間であっても０になることは無い。すなわち、電圧が０になる休止期間が存在しない電圧波形が、高圧側電極４３と低圧側電極４４との間に印加される。つまり、電荷除去電圧ＶＲは、電極間の電圧が０になる期間を介さずに高電圧パルスＶＰ１、ＶＰ２に連続して電極間に印加され、高電圧パルスＶＰ１、ＶＰ２は、電極間の電圧が０になる期間を介さずに電荷除去電圧ＶＲに連続して電極間に印加される
図４に示すように、被処理水Ｆの浄化処理が開始されると、ステップＳ０１で、電荷除去電圧発生部３２から電荷除去電圧ＶＲが出力され、高圧側電極４３と低圧側電極４４との間に電荷除去電圧ＶＲが印加される。すなわち、電荷除去電圧ＶＲは被処理水Ｆの浄化処理中は常に出力されている。
次に、ステップＳ０２で、パルス電源部３１から高電圧パルスＶＰが出力される。高電圧パルスＶＰの電圧値は、電荷除去電圧ＶＲの電圧値とは独立に設定されている。そして、ステップＳ０３で電極間に放電開始電圧ＶＤｂより電圧値が高い電圧が印加されるので、電極間のガス空間４２に放電Ｄが発生する。そして、ステップＳ０４で放電Ｄにより、ガス空間４２に、オゾンやラジカルなどの活性種とともに電子やイオンなどの荷電粒子が生成される。そして、ステップＳ０５で高電圧パルスＶＰが放電維持電圧ＶＤｓ未満に低下し、電極間のガス空間４２で発生した放電Ｄが終了する。そして、ステップＳ０６で電極間に印加されている電荷除去電圧ＶＲによって、放電Ｄが終了した後も電極間のガス空間４２に残留する荷電粒子を、高圧側電極４３および低圧側電極４４に引き寄せて、ガス空間４２から荷電粒子を除去する。そして、ステップＳ０７で浄化処理が終了したか否かを判断し、浄化処理を継続する場合は、再びステップＳ０２に戻って、ステップＳ０２からステップＳ０７の各工程を繰り返す。なお、ステップＳ０２からステップＳ０７の間に、電極間で発生する放電の状況を観測しながら電荷除去電圧の電圧値を設定し直すステップと高電圧パルスの電圧値およびパルス幅を設定し直すステップとをさらに備えてもよい。また、ステップＳ０１より前に、高電圧パルスの電圧値およびパルス幅を設定するステップと、電荷除去電圧の電圧値を設定するステップとをさらに備えてもよい
図３に示すように、ガス空間４２に発生する放電Ｄは、高圧側電極４３と低圧側電極４４との間の電圧が、放電開始電圧ＶＤｂ以上になる時刻で発生し、放電維持電圧ＶＤｓよりも小さくなる時刻で終了する。つまり、図３に矢印で挟んで放電発生と記した期間のみ放電Ｄが発生し、この期間にラジカルや荷電粒子が生成される。本発明では、図３に矢印で挟んで放電発生と記した期間を放電持続期間と呼ぶ。そして、図３に矢印で挟んだ放電持続期間が、図４のフローチャートではステップＳ０３からステップＳ０５である。図３の時刻Ｔ１および時刻Ｔ４では、電極間のガス空間４２に放電Ｄが起こっている。図３の時刻Ｔ２および時刻Ｔ３ではガス空間４２に放電Ｄは起こっていないが、電極間には電荷除去電圧ＶＲが印加されている。図３の時刻Ｔ２および時刻Ｔ３は、図４のフローチャートではステップＳ０６である。
図５は、本発明の実施の形態１における流体浄化装置の電極間の様子を示す模式図である。図５では、図３で示した時刻Ｔ１〜Ｔ４の各時刻における荷電粒子である電子Ｅ、正イオンＩＰ、負イオンＩＮの状態と放電Ｄの有無とを模式的に示した。なお、ガス空間４２には、図５で示した荷電粒子の他にラジカルや中性粒子も存在するが、図５では省略している。図５では、高圧側電極４３が陽極、低圧側電極４４が陰極となる場合について説明するが、流体浄化装置１００のプラズマ処理部４０は、高圧側電極４３が陰極、低圧側電極４４が陽極であってもよく、電極間に交流の高電圧パルスを印加して陽極と陰極とが半周期毎に入れ替わる構成であってもよい。但し、図５で示すように、高圧側電極４３が陽極、低圧側電極４４が陰極となる方が、電極間に印加する高電圧パルスの最大電圧値を低くすることができるので好ましい。
図５（ａ）に示すように、時刻Ｔ１では、高圧側電極４３と低圧側電極４４との間に高電圧パルスＶＰ１が印加されているので、電極間のガス空間４２にストリーマ状の放電Ｄが発生し、放電Ｄによってガス空間４２にラジカルや荷電粒子が生成される。高電圧パルスＶＰ１が印加されている時刻Ｔ１では、生成された荷電粒子のうち電子Ｅと負イオンＩＮとは陽極である高圧側電極４３に向かって移動し、正イオンＩＰは陰極である低圧側電極４４に向かって移動するが、放電Ｄが発生している間は荷電粒子が生成されるので、ガス空間４２には荷電粒子が充満している。
そして、図５（ｂ）に示すように、高電圧パルスＶＰ１の印加が終了し、電極間の電圧が放電維持電圧ＶＤｓより低くなって放電Ｄが終了した後の時刻Ｔ２においても、ガス空間には放電Ｄで生成された荷電粒子が残留しているが、電極間には電荷除去電圧ＶＲが印加されているので、荷電粒子のうち電子Ｅと負イオンＩＮとは陽極である高圧側電極４３に向かって移動し、正イオンＩＰは陰極である低圧側電極４４に向かって移動する。時刻Ｔ２では、電極間に電荷除去電圧ＶＲが印加されているが、電荷除去電圧ＶＲは電極間で放電が発生しない大きさの電圧であるため、電極間には放電が発生しない。そして、電荷除去電圧ＶＲによりガス空間４２の荷電粒子が高圧側電極４３あるいは低圧側電極４４に引き寄せられて移動し、電極に到達した荷電粒子は電極との衝突などにより電荷を失い消滅する。すなわち、荷電粒子は中性粒子に戻る。このため、時間の経過とともにガス空間４２の荷電粒子数は減少する。
図５（ｃ）に示すように、放電Ｄが終了してからさらに時間が経過した時刻Ｔ３では、荷電粒子はほぼ電極への移動を終え、ガス空間４２の荷電粒子数は時刻Ｔ２に比べて大きく減少する。
そして、図５（ｄ）に示すように、時刻Ｔ４において電極間に次の高電圧パルスＶＰ２が印加されると、電極間に再び放電Ｄが発生し、放電Ｄによって電極間のガス空間４２にラジカルや荷電粒子が生成される。放電Ｄはオゾンやラジカルなどの活性種を生成し、生成された活性種が被処理水Ｆに含まれる有機物や細菌を分解するので、図５（ａ）から図５（ｄ）の工程を繰り返すことで、被処理水Ｆが浄化される。
次に、本発明の流体浄化装置１００の作用効果について説明する。
まず、比較例として電荷除去発生部を有さない従来の流体浄化装置について、本発明の流体浄化装置と比較し、本発明の流体浄化装置１００の作用効果を説明する。比較例として説明する従来の流体浄化装置は、図１の本発明の流体浄化装置１００と同様の構成をしているが、本発明の流体浄化装置１００とは、電源部３０がパルス電源部３１のみで構成されており、電荷除去電圧発生部３２を有さない構成が異なる。
図６は、比較例の従来の流体浄化装置流体浄化装置の電極間に印加される電圧波形を示すタイムチャートである。また、図７は、比較例の従来の流体浄化装置の電極間の様子を示す模式図である。図６は、本発明の流体浄化装置１００の図３に対応するものであり、図中の符号や注釈等は図３と同一であり説明を省略する。同様に、図７は、本発明の流体浄化装置１００の図５に対応するものであり、図中の符号や注釈等は図５と同一であり説明を省略する。なお、図３および図６において、高電圧パルスＶＰ１、ＶＰ２は、最大電圧値、パルス幅、繰り返し周波数などの条件が同一である。
図６に示すように、従来の流体浄化装置では電源部が電荷除去電圧発生部を有さないため、高圧側電極４３と低圧側電極４４との間には、パルス電源部から出力される高電圧パルスのみが周期的に印加される。電極間に印加される高電圧パルスＶＰ１の大きさが放電開始電圧ＶＤｂ以上になると、電極間にストリーマ状の放電Ｄが発生し、電極間に印加される高電圧パルスＶＰ１の大きさが放電維持電圧ＶＤｓ未満になると、電極間に発生した放電Ｄが終了する。
図７（ａ）に示すように、時刻Ｔ１では、図５（ａ）に示した本発明の流体浄化装置１００と同様に、従来の流体浄化装置においても電極間に放電Ｄが発生しているので、ガス空間４２にラジカルや、電子Ｅ、正イオンＩＰ、負イオンＩＮからなる荷電粒子が生成される。
そして、図７（ｂ）に示すように、高電圧パルスＶＰ１の印加が終了した時刻Ｔ２では、電極間には電圧が印加されておらず、電極間の電圧は０であるため、ガス空間４２の荷電粒子は密度勾配による拡散などによって様々な方向に移動する。
図７（ｃ）に示すように、さらに放電Ｄが終了してから時間が経過した時刻Ｔ３では、ガス空間４２の荷電粒子は、拡散によって時刻Ｔ２よりもガス空間４２のさらに広範囲に広がる。なお、電極間に電圧が印加されていないため、荷電粒子には拡散を除いて駆動力が作用しないため、荷電粒子の密度勾配の減少に伴い移動速度が減速し、放電Ｄの終了から十分に時間が経過した時刻Ｔ３においても電極間のガス空間４２には多くの荷電粒子が残留している。
そして、次の高電圧パルスＶＰ２が印加される直前においても、電極間のガス空間４２には荷電粒子が残留しているため、電極間のガス空間４２は電離および熱化しやすい状態となっている。図７（ｄ）に示すように、このようなガス空間４２が電離および熱化しやすい状態の時刻Ｔ４において、高電圧パルスＶＰ２が印加されると、高圧側電極４３と低圧側電極４４との間にスパーク放電Ｓが発生する。スパーク放電は、火花放電とも言い、ストリーマ状の放電Ｄとは異なり、ガス空間４２の中性粒子の温度が数千度以上にも達する。一度スパーク放電Ｓが発生すると、その近傍のガス温度の上昇や荷電粒子数の増加により、ますますスパーク放電Ｓが生じやすくなる。このため、スパーク放電Ｓが持続し、電極間に大きな電流が流れるため、高圧側電極４３が高温になって溶融し、破壊されるといった問題が生じる場合がある。
このため、従来の流体浄化装置では、スパーク放電Ｓの発生を検知すると、パルス電源部からの高電圧パルスの出力を停止する、高電圧パルスの最大電圧値をスパーク放電が発生しない電圧値まで低下させる、あるいは、単位時間あたりに出力する高電圧パルスの数を減少させるといった措置を取らなければならなかった。また、スパーク放電Ｓが発生しないように、高電圧パルスによるストリーマ状の放電Ｄが終了してから、次の高電圧パルスが印加されるまでの時間を十分に長くして、ガス空間の荷電粒子が十分に減少するように、高電圧パルスの繰り返し周期を長くしなければならなかった。つまり、従来の流体浄化装置では、高電圧パルスの繰り返し周波数をより増加させて、オゾンやラジカルなどの活性種の発生量をより増加させることができなかった。
これに対して本発明の実施の形態１の流体浄化装置１００によれば、電源部３０は高電圧パルスＶＰを出力するパルス電源部３１と、電極間に高電圧パルスＶＰが印加されていない期間に、電極間で放電が発生しない大きさの電荷除去電圧ＶＲを印加する電荷除去電圧発生部３２とを備えているので、高電圧パルスＶＰにより発生した放電Ｄで生成されたガス空間４２の荷電粒子を、放電Ｄが終了してから次の高電圧パルスＶＰが印加されるまでの間に十分に減少させることができるため、次の高電圧パルスＶＰによりスパーク放電Ｓが発生するのを抑制することができる。つまり、放電Ｄが発生していない期間に電荷除去電圧ＶＲを電極間に印加しない従来の流体浄化装置に比べて、高電圧パルスを印加する繰り返し周期を短くしても、スパーク放電Ｓが発生しないようにすることができる。そして、電源部３０が、それぞれ独立に条件設定可能なパルス電源部３１と電荷除去電圧発生部３２とを有しているため、高電圧パルスの条件と電荷除去電圧の条件とをそれぞれ最適に設定することができる。この結果、本発明の流体浄化装置１００では、高電圧パルスの繰り返し周波数をより増加させて、オゾンやラジカルなどの発生種の発生量をより増加させることができる。また、スパーク放電Ｓの発生を抑制することができるので、高圧側電極４３の破壊を抑制することができる。
また、本発明の流体浄化装置１００の電源部３０は、図２に示すようにパルス電源部３１と電荷除去電圧発生部３２とを設けて構成しているので、電極間に高電圧パルスＶＰが印加されていない期間は常に、電荷除去電圧が印加されるようになっている。すなわち、高電圧パルスＶＰによる放電Ｄが終了してから、電極間の電圧が０になる電圧休止期間を設けずに、電極間に放電しない大きさの電圧である電荷除去電圧ＶＲが印加され続けるので、放電Ｄの終了後にガス空間４２に残留した荷電粒子が密度勾配によって拡散し始める前に、電荷除去電圧ＶＲによって電極に向かって移動するので、ガス空間４２からより短時間に荷電粒子を除去することができる。つまり、高電圧パルスＶＰを印加し終わった後に、電極間の電圧が０になる電圧休止期間を設けてから、電荷除去電圧ＶＲを印加する構成に比べて、短時間のうちにより多くの荷電粒子を除去することができるため、高電圧パルスＶＰの繰り返し周波数をより増加させて、オゾンやラジカルなどの発生種の発生量をより増加させることができる。
本実施の形態１では、流体浄化装置１００の電源部３０の回路構成として、図２に示すようにパルス電源部３１に並列に電荷除去電圧発生部３２を接続し、電荷除去電圧発生部３２は、直流電源３５と直流電源３５に直列接続された第１の減衰器としての高域遮断フィルタ３４と、直流電源３５と高域遮断フィルタ３４との直列接続回路とパルス電源部３１との間に接続された第２の減衰器としての低域遮断フィルタ３３とを備える構成としたが、電源部３０の回路構成はこれに限るものではない。パルス電源部３１の出力端子の耐電圧値が直流電源３５の出力電圧より高い場合には、低域遮断フィルタ３３などの第２の減衰器を省略してもよい。同様に、電荷除去電圧発生部３２の直流電源３５の出力端子の耐電圧値がパルス電源部３１から出力される高電圧パルスの最大電圧より高い場合には、高域遮断フィルタ３４などの第１の減衰器を省略してもよい。
図８は、本発明の実施の形態１における流体浄化装置の電源部の他の回路構成を示す回路図である。図８において、図２と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。図８は、図２における第２の減衰器としての低域遮断フィルタをキャパシタ３３ａと変圧器３３ｂとで構成したものである。
変圧器３３ｂの１次巻線側にはパルス電源部３１が接続されており、２次巻線側にはキャパシタ３３ａが直列に接続され、高圧側配線５１と低圧側配線５２とを介して高圧側電極４３と低圧側電極４４とが接続されている。パルス電源部３１から出力され、変圧器３３ｂの１次巻線に入力された高電圧パルスは、変圧器３３ｂの巻数比に応じた増幅率で増幅されて高圧側電極４３に印加される。なお、変圧器３３ｂは巻数比が１であって１次側に入力された高電圧パルスをそのままの大きさで２次側に出力する変圧器であってもよく、巻数比が１未満で１次側に入力された高電圧パルスを減衰させて２次側に出力する変圧器であってもよい。
変圧器３３ｂの２次側には直流電源３５とインダクタからなる高域遮断フィルタ３４との直列接続回路が接続されているが、２次側に入力される電圧は時間変化のない直流電圧であるため、変圧器３３ｂの１次側には直流電源３５から出力された直流電圧は出力されない。従って、パルス電源部３１の出力が０Ｖの場合に、電荷除去電圧発生部３２の直流電源３５から出力された直流電圧が、パルス電源部３１に印加されるのを防止することができる。
図９は、本発明の実施の形態１における流体浄化装置の電源部の他の回路構成を示す回路図である。図９において、図２と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。図９は、図２におけるインダクタからなる高域遮断フィルタ３４の代わりに第１の減衰器としてダイオードなどの整流器３６を用い、整流器３６を直流電源３５と直列に接続したものである。整流器３６は、整流器３６のアノードが直流電源３５の高電圧側に、整流器３６のカソードがパルス電源部３１の高電圧側、すなわち高圧側配線５１に接続され、直流電源３５から出力される直流電流に対して整流器３６が順方向となるように接続されている。
図２における高域遮断フィルタ３４は、パルス電源部３１から出力される高電圧パルスの高い電圧が直流電源３５に印加されるのを防止するために設けられている。高電圧パルスの電圧値は、直流電源３５が出力する直流電圧より高いので、図９に示すように、高電圧パルスが出力された際に、整流器３６に印加される電圧が逆バイアスとなるように整流器３６を直流電源３５に直列接続することで、高電圧パルスが出力されても、高電圧パルスの高い電圧が直流電源３５に印加されないようにすることができる。高電圧パルスが出力されていない期間は、パルス電源部３１の両端の電圧はほぼ０Ｖになるため、整流器３６に印加される電圧は順バイアスとなるので、直流電源３５から出力される直流電圧が整流器３６を介して高圧側電極４３に印加される。
さらに、第１の減衰器として、直流電源３５の内部抵抗より抵抗値が大きい抵抗器や、抵抗器とインダクタとを直列接続して、直流電源３５との直列接続回路を構成してもよい。直流電源３５は、電極間に電荷除去電圧ＶＲを印加してガス空間４２に残留した荷電粒子を電極に引き寄せることができればよいので、大きな電流を流す必要が無い。従って、直流電源３５と直列に電気抵抗が大きい抵抗器を接続しても、抵抗器における電圧降下は小さいため、直流電源３５から出力される直流電圧とほぼ同じ電圧を電極間に印加することができる。一方、パルス電源部３１から出力された高電圧パルスは、抵抗器と直流電源３５の内部抵抗とで分圧されるため、高電圧パルスの大部分を抵抗器に印加させ、直流電源３５に印加される電圧を極めて小さいものにすることができる。
また、図９の第１の減衰器として、抵抗器や抵抗器とインダクタとを直列接続したものを直流電源３５に直列接続する場合には、高電圧パルスに含まれる低周波成分の遮断性能を向上させることができ、さらに、スパーク放電Ｓが発生した場合や放電がアーク化した場合に、電極間に常時直流電圧を印加している直流電源３５から電極間に大電流が流れて電極を破損するのを防止することができる。
なお、本実施の形態１では、電荷除去電圧発生部３２が発生する電荷除去電圧ＶＲは、直流電源３５が出力する直流電圧である場合について説明したが、電荷除去電圧ＶＲは、電極間に印加しても電極間で放電が発生しない大きさの電圧であれば直流電圧に限るものではない。例えば、直流電源３５の代わりに、パルス波、矩形波、三角波、のこぎり波、正弦波などの波形を単独あるいは複数合成して出力する電源を用いてもよい。
また、本実施の形態１では、電極間に印加される高電圧パルスＶＰの極性と電荷除去電圧ＶＲの極性とが同じ場合について説明したが、高電圧パルスＶＰの極性と電荷除去電圧ＶＲの極性とは逆であってもよい。例えば、高電圧パルスＶＰは高圧側電極４３が陽極となるように印加し、電荷除去電圧ＶＲは高圧側電極４３が陰極となるように印加してもよい。しかし、電極間に印加される高電圧パルスＶＰの極性と、その高電圧パルスＶＰの後に電極間に印加される電荷除去電圧ＶＲの極性とが同じ場合には、放電Ｄによって生成された荷電粒子に加わる駆動力の向きが一致しているため、極性が逆の場合よりもガス空間４２からより短時間に荷電粒子を除去することができるので、本実施の形態１で説明したように、高電圧パルスＶＰの極性と高電圧パルスＶＰの直後の電荷除去電圧ＶＲの極性とは同じである方が好ましい。
なお、本実施の形態１では、高圧側電極４３および低圧側電極４４の表面が金属である場合について説明したが、高圧側電極４３および低圧側電極４４の一方あるいは両方の表面は、ガラスまたはセラミックなどの誘電体で被覆してもよい。このような電極表面が誘電体で被覆された構成の流体浄化装置であっても、電極間に高電圧パルスを印加して発生させた放電が終了した後に電荷除去電圧を印加することによって、ガス空間内の荷電粒子をより短時間に除去することができ、本実施の形態１で説明した電極が誘電体で被覆されていない流体浄化装置１００と同様の効果が得られる。高圧側電極４３あるいは低圧側電極４４の少なくとも一方が誘電体で被覆されている場合には、高電圧パルスによる放電が終了した後に電荷除去電圧によって移動した荷電粒子を誘電体の表面に蓄積させて壁電荷とし、この壁電荷を利用することで次の高電圧パルスにおける放電に必要な電圧を低く抑えることができる。すなわち、少なくとも一方の電極が誘電体で被覆されている場合には、電荷除去電圧の極性と、その次の高電圧パルスの極性とを逆にすることで、高電圧パルスの電圧値を低くすることができる。
以上のように、本発明の実施の形態１における流体浄化装置１００は、電源部３０のパルス電源部３１から、最大値が放電開始電圧ＶＤｂよりも高い高電圧パルスＶＰを出力して、高圧側電極４３と低圧側電極４４との間に印加してストリーマ状の放電Ｄを発生させている。そして、電源部３０の電荷除去電圧発生部３２から、電極間で放電が起こらない大きさの電圧、すなわち放電維持電圧ＶＤｓよりも低い電荷除去電圧ＶＲを、高電圧パルスＶＰに連続して電圧休止期間を設けることなしに、高圧側電極４３と低圧側電極４４との間に印加している。
この結果、高電圧パルスＶＰにより発生した放電Ｄで生成されたガス空間４２の荷電粒子を電荷除去電圧ＶＲによって電極側に引き寄せて中性粒子に戻すことができ、ガス空間４２内の荷電粒子数を短時間に減少させることができる。従って、パルス電源部３１が出力する高電圧パルスの繰り返し周波数を増加しても、スパーク放電Ｓを起こさずに、安定したストリーマ状の放電Ｄを発生させることができ、高いラジカル発生効率を維持しつつラジカル発生量を増加して気体および液体中の有機物・細菌の除去を高速に行うことができる。
また、電源部３０が、高電圧パルスを発生するパルス電源部３１と、電荷除去電圧を発生する電荷除去電圧発生部３２とを有しているため、高電圧パルスの電圧値、パルス幅、繰り返し周波数などの活性種を生成するために最適な条件と、電荷除去電圧の電圧値などのガス空間４２から荷電粒子を除去するために最適な条件とを、それぞれ独立に設定して電極間に印加することができるため、高電圧パルスのエネルギー利用効率を高く維持したまま高電圧パルスの繰り返し周波数をより増加させて、活性種の生成量をより増加させることができる。
本実施の形態１では、図２に示すように、電源部３０の回路構成は、プラズマ処理部４０の高圧側電極４３および低圧側電極４４とパルス電源部３１との間に電荷除去電圧発生部３２が接続された場合について説明したが、電源部３０の回路構成はこれに限るものではない。例えば、高電圧パルスを発生するパルス電源部３１と第２の減衰器である低域遮断フィルタ３３との直列接続回路と、電荷除去電圧を発生する直流電源３５と第１の減衰器である高域遮断フィルタ３４との直列接続回路と、プラズマ処理部４０の高圧側電極４３および低圧側電極４４と、が並列に接続された回路構成であってよい。すなわち、電荷除去電圧発生部３２は、電荷除去電圧を発生する直流電源３５と第１の減衰器とが直列に接続され、直流電源３５と第１の減衰器との直列接続回路とパルス電源部３１との間に第２の減衰器が電気的に接続された回路構成であってよい。
実施の形態２．
図１０は、本発明の実施の形態２における流体浄化装置の要部構成を示す模式図である。図１０において、実施の形態１の図２と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。また、図１１は、本発明の実施の形態２における流体浄化装置の電極間に印加される電圧波形を示すタイムチャートである。図１１において、実施の形態１の図３と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。本発明の実施の形態１とは、電荷除去電圧発生部３２の直流電源３５の代わりにパルス電源３７を用いた構成が相違している。本発明の実施の形態２では、本発明の実施の形態１と相違する部分について説明し、同一または対応する部分についての説明は省略する。
図１１に示すように、電荷除去電圧発生部３２のパルス電源３７は、電圧の大きさがＶＲでパルス幅がＴＲの電圧パルスを出力し、高圧側電極４３と低圧側電極４４との間に印加する。すなわち、パルス電源３７は、電圧値がＶＲの電荷除去電圧を、放電終了後、時間ＴＲに亘って電極間に印加する。以下では、時間ＴＲを電圧印加時間ＴＲと呼ぶ。パルス電源部３１が出力する高電圧パルスＶＰの周期はＴＰであり、パルス電源３７が出力するパルス状の電荷除去電圧ＶＲの電圧印加時間ＴＲは周期ＴＰよりも短くなっている。図１１に示すように、パルス電源３７が出力するパルス状の電荷除去電圧ＶＲは、電圧が０の電圧休止期間を有している。
本実施の形態２の流体浄化装置１００において、パルス状の電荷除去電圧ＶＲの電圧印加時間ＴＲは、高電圧パルスＶＰによるストリーマ状の放電Ｄによってガス空間４２に生成された荷電粒子の除去に要する時間よりも長く設定することが好ましい。なお、電荷除去電圧ＶＲは、高電圧パルスＶＰに連続して電圧休止期間を設けることなく印加されている。電荷除去電圧ＶＲの電圧印加時間ＴＲの開始時刻は、高電圧パルスＶＰが放電維持電圧ＶＤｓ未満となり放電Ｄが終了した時刻であり、電圧印加時間ＴＲの終了時刻は、電極間の電圧が０になる時刻である。
なお、実施の形態１に示したように、電荷除去電圧ＶＲが電圧休止期間を有さず、常時電極間に印加される場合には、電荷除去電圧ＶＲの電圧印加時間ＴＲは、高電圧パルスＶＰの繰り返し周期から、高電圧パルスＶＰが放電開始電圧ＶＤｂ以上になってから放電維持電圧ＶＤｓ未満になるまでの時間を差し引いた時間である。すなわち、電荷除去電圧ＶＲが常時電極間に印加されている場合には、高電圧パルスＶＰの繰り返し周期から、１つの高電圧パルスＶＰにおいて放電Ｄが発生している時間を差し引いた時間が、電荷除去電圧ＶＲの電圧印加時間ＴＲである。高電圧パルスＶＰで放電Ｄが発生している時間は概ね高電圧パルスＶＰのパルス幅である。従って、実施の形態１に示したように、電荷除去電圧ＶＲが電圧休止期間を有さず、常時電極間に印加される場合には、高電圧パルスの繰り返し周期ＴＰは、荷電粒子の除去に要する時間より長く設定した電圧印加時間ＴＲと高電圧パルスのパルス幅との合計時間より長く設定することが好ましい。
次に、放電Ｄにより生成された荷電粒子の除去に要する時間について説明する。例えば、高圧側電極４３と低圧側電極４４との間の距離ｄが１０ｍｍ、電極間に電荷除去電圧ＶＲを印加した場合の電極間の電界強度Ｅ１が１×１０６Ｖ／ｍの場合について説明する。放電Ｄにより生成されたＯ２ ＋イオンは、１気圧の酸素雰囲気中の移動度μが１．３ｃｍ２／Ｖｓであるから、酸素雰囲気のガス空間４２からＯ２ ＋イオンの除去に要する時間は、ｄ／μＥ１＝７６μｓである。よって、電極間距離ｄが１０ｍｍ、電極間の電界強度Ｅ１が１×１０６Ｖ／ｍの場合には、電荷除去電圧ＶＲの電圧印加時間ＴＲを７６μｓ以上に設定し、高電圧パルスＶＰの繰り返し周期ＴＰを、高電圧パルスのパルス幅に７６μｓを加算した時間以上に設定するのが好ましい。
より一般的には、大気圧のガス空間４２から荷電粒子を除去するためには、電荷除去電圧の電圧値ＶＲと電荷除去電圧の電圧印加時間ＴＲとの積ＶＲ×ＴＲが０．１Ｖ・ｓ以上となるようにすればよい。そして、電荷除去電圧の電圧値が時間的に一定ではなく変化する場合には、高電圧パルスＶＰの繰り返し周期における電荷除去電圧の時間積分が、０．１Ｖ・ｓ以上となるようにすればよい。電荷除去電圧の電圧値が時間的に変化する場合の電荷除去電圧は、高圧側電極４３と低圧側電極４４との間に印加される電圧のうち、電極間で放電Ｄが発生していない期間の電圧としてよい。すなわち、高電圧パルスの１周期から電極間で放電Ｄが発生している期間を除いた期間に亘って電極間に印加される電圧を積分した値が０．１Ｖ・ｓ以上となるようにすることで、ガス空間４２から荷電粒子を除去し、高電圧パルスの繰り返し周波数をより増加させても、電極間にスパーク放電Ｓを発生させずに、ストリーマ状の放電Ｄを安定して発生させることができる。
オゾンやラジカルなどの活性種の発生量をより増加させるためには、電極間で放電Ｄが発生していない期間に亘って電極間に印加された電圧を積分した値が０．１Ｖ・ｓ以上になるように、高電圧パルスＶＰの繰り返し周期ＴＰをできるだけ短くして、繰り返し周波数を高くすることが好ましい。従って、実施の形態１で示したように、電荷除去電圧ＶＲは時間的に一定で、電極間に印加される電圧が０になる電圧休止期間が無い方が、高電圧パルスＶＰの繰り返し周期ＴＰを最も短くできるので好ましい。なお、電荷除去電圧ＶＲが電極間に印加される電圧印加時間ＴＲは、高電圧パルスのパルス幅よりも長く設定される。
電荷除去電圧の電圧値がＶＲで時間的に一定の場合、電荷除去電圧によって移動する荷電粒子の距離は、電荷除去電圧の電圧値ＶＲと電圧印加時間ＴＲとの積ＶＲ×ＴＲに比例する。一方、電荷除去電圧による荷電粒子の移動および電荷除去電圧発生部３２の内部抵抗で生じるエネルギー消費は、電荷除去電圧の電圧値ＶＲの２乗と電圧印加時間ＴＲとの積ＶＲ２×ＴＲに比例する。よって、電荷除去電圧によって荷電粒子を一定距離移動させる場合、すなわちＶＲ×ＴＲが一定の場合、電圧印加時間ＴＲが長い方が、電荷除去電圧の電圧値ＶＲを小さくすることができ、荷電粒子の移動および電荷除去電圧発生部３２の内部抵抗で生じるエネルギー消費を小さくすることができる。従って、実施の形態１で示したように電荷除去電圧は電極間の電圧が０となる電圧休止期間を有さず、電荷除去電圧の電圧印加時間ＴＲを高電圧パルスの繰返し周期ＴＰに近い値にすることが好ましい。また、電圧印加時間ＴＲを長くすることにより、電荷除去電圧の電圧値ＶＲを小さくすることができるため、流体浄化装置１００の電気絶縁が容易になり、製造コストや保守コストを低減することができる。
実施の形態３．
図１２は、本発明の実施の形態３における流体浄化装置の電極間に印加される電圧波形を示すタイムチャートである。図１２において、実施の形態２の図１１と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。本発明の実施の形態２とは、電荷除去電圧発生部３２のパルス電源３７が、電圧値およびパルス幅が異なる複数種類の電圧パルスを出力する構成が相違している。本発明の実施の形態３では、本発明の実施の形態１、２と相違する部分について説明し、同一または対応する部分についての説明は省略する。
本実施の形態３の流体浄化装置１００の電源部３０は、図１０に示した実施の形態２の流体浄化装置の電源部３０と同一の構成をしている。本実施の形態３の流体浄化装置１００では、パルス電源３７は電圧値およびパルス幅が異なる複数種類の電圧パルスを出力し、図１２では、例えば、電圧値がそれぞれＶＲ１、ＶＲ２、ＶＲ３、ＶＲ４、ＶＲ５の電圧パルスＶＲ１〜ＶＲ５が電荷除去電圧として出力されている。なお、図１２では、電圧値がＶＲ１の電圧パルスＶＲ１と電圧値がＶＲ４の電圧パルスＶＲ４とは電圧値およびパルス幅が同じであり、電圧値がＶＲ２の電圧パルスＶＲ２と電圧値がＶＲ５の電圧パルスＶＲ５とは電圧値およびパルス幅が同じである。図１２では省略しているが、電圧値がＶＲ３の電圧パルスＶＲ３と同じ電圧値、パルス幅の電圧パルスが電圧パルスＶＲ５に続いてパルス電源３７から出力される。すなわち、図１２では、高電圧パルスＶＰの１周期毎に、同一の波形を形成する電圧パルスがパルス電源３７から出力されている。
電荷除去電圧発生部３２から出力されて電極間に印加される電荷除去電圧により、電極間のガス空間４２から荷電粒子を除去するのに要する時間は、荷電粒子の大きさや質量、電荷量に応じて変化する。また、放電Ｄが終了した後であっても、ガス空間４２において、ラジカル、荷電粒子、中性粒子などが反応することで、電極間のガス空間４２に残留する荷電粒子の数は変化する。このため、図１２に示すように、継時的な荷電粒子の数の変化に合わせて、電荷除去電圧を構成する電圧パルスＶＲ１、ＶＲ２、ＶＲ３それぞれの電圧値およびパルス幅を調整することで、さらに効率良くガス空間４２から荷電粒子を除去することができる。なお、図１２では、放電が発生していない期間に電極間の電圧が０になる電圧休止期間があるが、上記実施の形態２で説明したように電圧休止期間は無い方がよく、図１２においても電圧パルスＶＲ３と電圧パルスＶＲ４とを連続的に電極間に印加する方がよい。
なお、本実施の形態３では、パルス電源部３１および電荷除去電圧発生部３２のパルス電源３７から同時に電圧パルスを出力しているが、パルス電源部３１およびパルス電源３７から電圧パルスを出力するタイミングは適宜調整してよい。例えば、あらかじめパルス電源部３１またはパルス電源３７に出力遅延時間を設定したり、パルス電源部３１およびパルス電源３７の同期信号の受信時間に差を設定したりしておくことで、同期信号を受信してから一定時間遅延時間が経過後に、パルス電源部３１またはパルス電源３７から電圧パルスの出力を開始させることができる。
また、高圧側電極４３あるいは高圧側配線５１に電圧センサを設け、電圧センサにより高圧側電極４３に印加された高電圧パルスＶＰを測定し、高電圧パルスＶＰが一定の条件を満たした場合にパルス電源３７から電荷除去電圧（ＶＲ１、ＶＲ２、ＶＲ３）の出力を開始したり、電圧センサにより高圧側電極４３に印加された電荷除去電圧を測定し、電荷除去電圧が一定の条件を満たした場合にパルス電源部３１から高電圧パルスを出力したりしてもよい。このように、パルス電源部３１およびパルス電源３７から電圧を出力するタイミングを適宜調整することで、荷電粒子の除去に最適な条件の電荷除去電圧を発生させることができ、さらに効率良く電極間のガス空間４２から荷電粒子を除去することができる。
実施の形態４．
図１３は、本発明の実施の形態４における流体浄化装置の要部構成を示す模式図である。図１３において、実施の形態１の図２と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。本発明の実施の形態１とは、電荷除去電圧発生部３２をダイオードなどの整流器３８および整流器３９で構成した点が相違している。本発明の実施の形態４では、本発明の実施の形態１〜３と相違する部分について説明し、同一または対応する部分についての説明は省略する。
図１３に示すように、電荷除去電圧発生部３２は、第１の端子３２ａと第３の端子３２ｃとの間に整流器３８を有している。整流器３８は、アノードがパルス電源部３１に接続され、カソードが高圧側電極４３に接続されている。また、電荷除去電圧発生部３２は、第２の端子３２ｂと第３の端子３２ｃとの間に整流器３９を有している。整流器３９は、パルス電源部３１と並列に接続されており、アノードが接地電位５３と同電位に接続され、カソードが整流器３８のアノードおよびパルス電源部３１の高電圧側に接続されている。
整流器３８は、パルス電源部３１から出力された高電圧パルスを低損失で高圧側電極４３側に通過させ、高圧側電極４３において電気的な不整合により反射された高電圧パルスがパルス電源部３１側に通過するのを阻止あるいは大幅に減衰させる。整流器３９は、パルス電源部３１が高電圧パルスを出力した際には逆バイアスとなり、アノードとカソードとの間を遮断状態とすることで、高電圧パルスが高圧側電極４３に印加されるようにする。また、整流器３９は、パルス電源部３１からの高電圧パルスの出力が終了し、出力された高電圧パルスが高圧側電極４３で反射されて整流器３８に印加された場合に、整流器３８を逆バイアスに保って遮断状態とするために、アノードとカソードとの間が導通状態となり整流器３８のアノード電位を接地電位５３に近い電位に保つ。
図１４および図１５は、本発明の実施の形態４における流体浄化装置の電極間に印加される電圧波形を示すタイムチャートである。図１４および図１５において、実施の形態１の図３と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。図１４および図１５は、ともに図１３に示した構成により電極間に印加される電圧波形であるが、図１４は、整流器３８のカソードから高圧側電極４３までの高圧側配線５１の長さが、高圧側配線５１上の高電圧パルスの電気長よりも長い場合であって、図１５は、整流器３８のカソードから高圧側電極４３までの高圧側配線５１の長さが、高圧側配線５１上の高電圧パルスの電気長より十分に短い場合である。
まず、図１４の場合、すなわち整流器３８のカソードから高圧側電極４３までの高圧側配線５１の長さが、高圧側配線５１上の高電圧パルスの電気長よりも長い場合について説明する。流体浄化装置１００の電源部３０のパルス電源部３１は、上記実施の形態１〜３の流体浄化装置１００と同様に、高電圧パルスＶＰ１、ＶＰ２を所定の繰り返し周期で出力し、高電圧パルスＶＰ１、ＶＰ２が高圧側電極４３と低圧側電極４４との間に印加される。
高電圧パルスＶＰ１、ＶＰ２が電極間に印加されると、電極間にストリーマ状の放電Ｄが発生するが、高電圧パルスＶＰ１、ＶＰ２の電圧が放電維持電圧ＶＤｓより低くなると、放電Ｄは終了する。従って、図１４に示すように、高電圧パルスＶＰ１、ＶＰ２のうち、放電Ｄが終了した後に電極間に印加された成分である電圧ＶＰＲ１、ＶＰＲ５は、放電で消費されずに、高圧側電極４３で反射されて、高圧側配線５１をパルス電源部３１側に向かって伝搬する。しかし、高圧側配線５１には整流器３８が接続されており、整流器３８は高圧側電極４３で反射した電圧ＶＰＲ１、ＶＰＲ５がパルス電源部３１側に向かって通過するのを阻止する向きであるので、整流器３８に到達した電圧ＶＰＲ１、ＶＰＲ５は整流器３８で再び反射されて、高圧側電極４３に向かって伝搬する。
従って、図１４に示すようにパルス電源部３１から高電圧パルスＶＰ１が出力されてから、次の高電圧パルスＶＰ２が出力されるまでの間に、高圧側電極４３には、高圧側配線５１上で高圧側電極４３と整流器３８との間を往復するパルス状の電圧ＶＰＲ１、ＶＰＲ２、ＶＰＲ３、ＶＰＲ４が電荷除去電圧として繰返し印加される。つまり、１つの高電圧パルスによる放電Ｄが終了してから、次の高電圧パルスが印加されるまでの間に、高圧側電極４３にパルス状の電荷除去電圧が繰り返し印加されることで、実施の形態１で説明したように、放電Ｄによりガス空間４２に生成された荷電粒子を次の高電圧パルスが印加されるまでに減少させることができる。
この結果、パルス電源部３１から出力される高電圧パルスの繰返し周波数をより増加させて、スパーク放電Ｓが発生するのを抑制することができ、高いラジカル発生効率を維持しつつラジカル発生量を増加し、水や空気などの流体中の有機物・細菌を短時間に除去して浄化することができる。また、スパーク放電Ｓの発生が抑制されるため、高圧側電極４３が破損するのを抑制することができる。なお、図１４では、高電圧パルスのうち放電で消費されなかった電圧が４回反射する場合について示したが、反射回数は高電圧パルスの繰り返し周波数や高圧側配線５１の長さによって変化し、反射させる回数は任意に選択することができる。
次に、図１５の場合、すなわち整流器３８のカソードから高圧側電極４３までの高圧側配線５１の長さが、高圧側配線５１上の高電圧パルスの電気長よりも十分に短い場合について説明する。
図１３における高圧側電極４３と整流器３８との間の高圧側配線５１の長さが短くなるにつれて、高電圧パルスＶＰ１のうち放電により消費されなかった成分の電圧ＶＰＲ１が、高電圧パルスＶＰ１の終了から次の高電圧パルスＶＰ２が印加されるまでの期間に、高圧側電極４３と整流器３８との間を往復する回数が増加する。この結果、高圧側電極４３に印加されるパルス状の電圧ＶＰＲが重なるようになり、次第に電極間の電圧が０になる電圧休止期間が無くなるようになる。そして、高圧側電極４３と整流器３８との間の高圧側配線５１の長さが、高圧側配線５１上の高電圧パルスの電気長より十分に短くなると、パルス状の電圧ＶＰＲが滑らかに重なり合って、１つの高電圧パルスと次の高電圧パルスとの間に電極間に印加される電圧が直流電圧状になる。すなわち、図１５に示すように、高電圧パルスＶＰ１、ＶＰ２による放電が終了した後には、電極間に電荷除去電圧発生部３２で発生した電圧ＶＰＲ１、ＶＰＲ２が印加される。
図１４と図１５とを比較して分かるように、高圧側電極４３と整流器３８との間の高圧側配線５１の長さが短い図１５の方が、高電圧パルスによる放電が終了してから次の高電圧パルスが印加されるまでの間に電極間に印加される電荷除去電圧の時間積分値を大きくすることができる。よって、高圧側電極４３と整流器３８との間の高圧側配線５１の長さは短い方が、電極間のガス空間４２に残留する荷電粒子をより減少させることができ、パルス電源部３１が出力する高電圧パルスの繰返し周波数を増加した場合においても、スパーク放電Ｓが発生するのを抑制し、高いラジカル発生効率を維持しつつラジカル発生量を増加し、水や空気などの流体中の有機物・細菌をより短時間に除去して浄化することができる。
また、本実施の形態４の流体浄化装置１００にあっては、高圧側電極４３とパルス電源部３１との間に接続された整流器３８により、高圧側電極４３で反射された高電圧パルスのうち放電で消費されなかった成分の電圧が、パルス電源部３１に印加されるのを防止することができるため、高圧側電極４３で反射されたパルス状の電圧によってパルス電源部３１が受けるダメージを軽減することができる。
また、本実施の形態４の流体浄化装置１００にあっては、電荷除去電圧発生部３２に電荷除去電圧を発生するための電源を設けなくてよいので、上記実施の形態１〜３の流体浄化装置１００と比較して、装置の小型化や装置の電気絶縁が容易になり、製造コストや保守コストを低下することができる。
なお、実施の形態１の図９で示したように、整流器３９のアノードと低圧側配線５２との間に直流電源を設けてもよい。すなわち、図１３の整流器３９に代えて、整流器と直流電源との直列接続回路で構成してよい。この場合、高圧側電極４３で反射されたパルス状の電圧と、直流電源から出力された直流電圧との合計が電荷除去電圧として電極間に印加されるため、電極間のガス空間４２からさらに短時間に荷電粒子を除去して、高電圧パルスの繰り返し周波数をより増加することができる。
なお、整流器３８は、ダイオードに限らず、パルス電源部３１から出力された高電圧パルスＶＰを低損失で通過させ、高圧側電極４３で反射されたパルス状の電圧ＶＰＲがパルス電源部３１側へ通過されるのを遮断あるいは大幅に減衰させる特性を有する整流器であればよく、例えば、ダイオードやサイリスタなどの整流機能を備えた整流素子や、整流素子を複数組み合わせたものであってもよい。
また、整流器３８として、トランジスタ、短絡スイッチ、ギャップスイッチ、あるいは真空遮断器などの回路を開閉する開閉素子を用いてもよい。整流器３８として、これらの開閉素子を用いる場合には、パルス電源部３１から出力された高電圧パルスＶＰが開閉素子を通過するまでは回路を閉じておき、高電圧パルスＶＰが開閉素子を通過した直後に回路を開放することで、高圧側電極４３で反射されたパルス状の電圧ＶＰＲがパルス電源部３１側に通過するのを遮断あるいは大幅に減衰させることができるので、開閉素子を整流器として機能させて、上述した整流器３８と同様の効果を得ることができる。
また、図１３において、パルス電源部３１と並列に接続された整流器３９は、上述した整流器３８と同様、ダイオードに限らず、ダイオードやサイリスタなどの整流機能を備えた整流素子や、整流素子を複数組み合わせたものであってもよい。さらに、整流器３９に代えて、インダクタや抵抗器あるいはインダクタと抵抗器との直列接続回路などの減衰器を用いてもよい。すなわち、整流器３９あるいはインダクタや抵抗器などの減衰器は、パルス電源部３１から高電圧パルスが出力された際には、パルス電源部３１の高電圧側から接地電位へ流れる電流を遮断あるいは大幅に低減し、高電圧パルスの出力が終了した後には、高圧側電極４３で反射されたパルス状の電圧ＶＰＲが整流器３８に対して逆バイアスで印加されるように、整流器３８のアノード電位をカソード電位より低く保持できるものであればよい。
また、整流器３９として、トランジスタ、短絡スイッチ、ギャップスイッチ、あるいは真空遮断器などの回路を開閉する開閉素子を用いてもよく、整流器３９として、これらの開閉素子を用いる場合には、パルス電源部３１から出力された高電圧パルスＶＰが開閉素子を通過するまでは回路を開放しておき、高電圧パルスＶＰが開閉素子を通過した直後に回路を閉じるように構成することで、開閉素子を整流器として機能させることができる。
なお、パルス電源部３１が、高電圧パルスを出力していないときには、パルス電源部３１の高電圧側の出力端子の電位が、低電圧側の出力端子の電位と同電位となるように構成されている場合には、図１３において、整流器３９を設けなくてもよい。
また、図１３において、整流器３８のカソードが接続された高圧側配線５１と低圧側配線５２との間に、抵抗器やインダクタあるいは抵抗器とインダクタとの直列接続回路を接続してもよい。そして、抵抗器の電気抵抗やインダクタのインダクタンスを調整することで、図１５で示すように、高電圧パルスＶＰ１、ＶＰ２の直後に電極間に印加される電荷除去電圧ＶＰＲ１、ＶＰＲ２の波形を荷電粒子の特性に応じて調整することができる。さらに、パルス電源部３１が高電圧パルスの繰り返し出力を停止している際に、高圧側電極４３の電位を接地電位と同電位にすることができるため、装置の電気絶縁が容易になり、装置の安全性を向上させることができる。
実施の形態５．
図１６は、本発明の実施の形態５における流体浄化装置の要部構成を示す模式図である。図１６において、実施の形態１の図２と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。本発明の実施の形態１とは、電荷除去電圧が低圧側電極４４に印加される構成が相違している。本発明の実施の形態５では、本発明の実施の形態１〜４と相違する部分について説明し、同一または対応する部分についての説明は省略する。
図１６に示すように、流体浄化装置１００の電源部３０は、パルス電源部３１と電荷除去電圧発生部１３２とで構成されており、パルス電源部３１は高圧側電極４３と接地電位５３との間に電気的に接続され、電荷除去電圧発生部１３２は低圧側電極４４と接地電位５３との間に電気的に接続されている。この構成により、パルス電源部３１が発生する高電圧パルスは高圧側電極４３に印加され、電荷除去電圧発生部１３２が発生する電荷除去電圧は低圧側電極４４に印加される。すなわち、電極間に放電を発生させる高電圧パルスと、電極間のガス空間４２に放電により生成された荷電粒子を除去するための電荷除去電圧とが、一対の電極のうち互いに異なる電極に印加される。低圧側電極４４は、高圧側電極４３とは異なり、強い電界を発生する鋭部を有しないため、低圧側電極４４に電荷除去電圧を印加することで、電荷除去電圧発生部１３２と処理槽１０などとの間の電気絶縁を容易にすることができる。
図１６に示すように、電荷除去電圧発生部１３２は、直流電源１３５と、直流電源１３５に直列接続された高域遮断フィルタ１３４と、直流電源１３５と高域遮断フィルタ１３４との直列接続回路に並列接続された低域遮断フィルタ１３３とで構成されている。低域遮断フィルタ１３３には、実施の形態１で説明した第２の減衰器と同様の減衰器を用いることができ、高域遮断フィルタ１３４には、実施の形態１で説明した第１の減衰器と同様の減衰器を用いることができる。
図１６に示すように、電荷除去電圧発生部１３２がパルス電源部３１と直列に接続されて電源部３０が構成され、電源部３０が高圧側電極４３および低圧側電極４４に接続される。電荷除去電圧発生部１３２の低域遮断フィルタ１３３は、パルス電源部３１から出力される高電圧パルスを低損失で通過させ、直流電源１３５と直列接続された高域遮断フィルタ１３４は、高周波成分を多く含む高電圧パルスを遮断し、高電圧パルスの高い電圧が直流電源１３５に印加されるのを防止する。このため、高電圧パルスによって電極間に発生する放電により流れる電流は、電荷除去電圧発生部１３２の低域遮断フィルタ１３３に流れ、高域遮断フィルタ１３４および直流電源１３５には殆ど流れない。高域遮断フィルタ１３４は、パルス電源部３１が発生した高電圧パルスが減衰されて直流電源１３５に印加されるように機能するので、実施の形態１で説明したように第１の減衰器である。
また、低域遮断フィルタ１３３は、直流電源１３５と高域遮断フィルタ１３４との直列接続回路に並列に接続されており、パルス電源部３１が発生して電極間に印加されたた高電圧パルスによって流れる電流を低損失で通過させる。高電圧パルスを低損失で通過させるには、直流電源１３５と高域遮断フィルタ１３４との直列接続回路に並列に低インピーダンスの回路素子や短絡線を接続することも考えられるが、その場合には直流電源１３５から低インピーダンスの回路素子や短絡線に流れる漏れ電流が大きくなるので、効率が低下する。しかし、図１６に示すように、直流電源１３５と高域遮断フィルタ１３４との直列接続回路に並列に低域遮断フィルタ１３３を並列に接続することで、直流電源１３５から出力されて低域遮断フィルタ１３３に流れる電流を低減あるいは遮断し、高電圧パルスによって流れる電流を低損失で通過させることができる。すなわち、低域遮断フィルタ１３３は、直流電源１３５から出力される電流を、低域遮断フィルタ１３３の代わりに短絡線を接続した場合よりも減衰させる第２の減衰器である。
図１７は、本発明の実施の形態５における流体浄化装置の電極間に印加される電圧波形を示すタイムチャートである。図１７において、横軸は時間である。縦軸は電極間の電圧であり、低圧側電極４４の電位を０とした場合、すなわち低圧側電極４４に対する高圧側電極４３の電位である。実施の形態１の図３も低圧側電極４４に対する高圧側電極４３の電位を示しているが、図３では低圧側電極４４の電位は接地電位と同電位であるのに対して、図１７では低圧側電極４４の電位は接地電位とは異なる。また、図１７中に記したＶＤｂは、図３の場合と同様、高圧側電極４３を陽極、低圧側電極４４を陰極として放電Ｄを発生させるための放電開始電圧である。ＶＤｓ１は、高圧側電極４３が陽極、低圧側電極４４が陰極の場合に電極間に発生した放電Ｄが持続可能な最小の電圧である放電維持電圧である。ＶＤｓ２は、ＶＤｓ１とは逆に、高圧側電極４３が陰極、低圧側電極４４が陽極の場合に電極間に発生した放電Ｄが持続可能な最小の電圧である放電維持電圧である。
図１６および図１７に示すように、高圧側電極４３にパルス電源部３１から高電圧パルスＶＰ１、ＶＰ２が印加されていない期間は、高圧側電極４３の電位は接地電位であり、低圧側電極４４には電荷除去電圧発生部１３２から電荷除去電圧ＶＲが印加されるため、高圧側電極４３の電位は低圧側電極４４の電位に対して負電位となっている。しかし、電荷除去電圧ＶＲの絶対値は、高圧側電極４３が陰極である場合の放電維持電圧ＶＤｓ２の絶対値よりも小さいため、電極間には放電が発生していない。
パルス電源部３１から高圧側電極４３に高電圧パルスＶＰ１が印加され、電極間の電圧が放電開始電圧ＶＤｂ以上になると、電極間にストリーマ状の放電Ｄが発生し、電極間のガス空間４２に荷電粒子が生成される。そして、図１７に示すように、電極間の電圧が、高圧側電極４３が陽極の場合の放電維持電圧ＶＤｓ１より小さくなった時刻ｔ１で、電極間の放電Ｄは終了する。高電圧パルスＶＰ１はパルス立ち上がり時間およびパルス立ち下り時間を有しているため、時刻ｔ２において、高圧側電極４３に印加されている高電圧パルスＶＰ２の電圧値と、低圧側電極４４に印加されている電荷除去電圧ＶＲの電圧値とが等しくなり、電極間の電圧は０になる。その後、時刻ｔ３において、パルス電源部３１からの高電圧パルスＶＰ１の出力が完全に終了すると、電極間には高圧側電極４３が低圧側電極４４に対して負電位となるように電荷除去電圧ＶＲが印加される。このため、放電終了後に電極間のガス空間４２に残留している荷電粒子は、放電中の移動方向と逆方向の電極に向かって移動し、ガス空間４２の荷電粒子が除去される。この結果、高電圧パルスＶＰ２が印加されても、スパーク放電が発生するのを防止することができるため、高電圧パルスの繰り返し周波数を増加することができる。
このように、パルス電源部３１が出力する高電圧パルスと、電荷除去電圧発生部１３２が発生する電荷除去電圧とが、電極間に逆極性となるように印加される場合には、電極間の電圧が０になる期間を介さなければならず、放電終了後にガス空間４２に残留している荷電粒子を除去する効率は、高電圧パルスと電荷除去電圧とが同極性の場合に比べて悪い。しかし、実施の形態１で説明したように、高圧側電極４３および低圧側電極４４の一方または両方が誘電体で覆われている場合には、高電圧パルスと電荷除去電圧とが逆極性の方が放電を発生させるために必要な電圧を低くすることができるので好ましい。
なお、図１６において直流電源１３５は極性を逆にして接続してよく、直流電源１３５の高電圧側を接地電位５３に接続し、高域遮断フィルタ１３４を介して直流電源１３５の低電圧側を低圧側電極４４に接続することで、電極間に印加される高電圧パルスと電荷除去電圧とが同極性になるようにすることができる。電極間に印加される高電圧パルスと電荷除去電圧とを同極性にすることで、高電圧パルスの後に電極間の電圧が０になる期間を介さずに電荷除去電圧を印加することができる。
図１８は、本発明の実施の形態５における流体浄化装置の他の要部構成を示す模式図である。図１８において、図１６と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示しており、その説明を省略する。図１６とは、電荷除去電圧発生部１３２が、低域遮断フィルタの代わりに開閉素子１３６を備え、直流電源１３５の代わりにパルス電源１３７を備えた構成が相違している。
パルス電源１３７は、実施の形態２あるいは実施の形態３で説明したパルス電源と同様に電圧値およびパルス幅を制御可能な電圧パルスを出力するパルス電源であり、電極間のガス空間４２から荷電粒子を除去するための電荷除去電圧を１つまたは複数の電圧パルスで構成することができる。この結果、実施の形態２および実施の形態３で説明した流体浄化装置１００と同様の効果を得ることができる。なお、図１８において、直流電源の代わりにパルス電源１３７を用いた場合であっても、開閉素子１３６を用いずに、開閉素子１３６に代えて図１６で示したように低域遮断フィルタを用いてもよい。
図１８において、電荷除去電圧発生部１３２の開閉素子１３６は、パルス電源部３１から高電圧パルスが出力された際に回路を閉じて、高電圧パルスの高い電圧がパルス電源１３７に印加されるのを防止する。そして、パルス電源部３１からの高電圧パルスの出力が終了すると、開閉素子１３６は回路を開放する。図１６のように、開閉素子１３６を用いずに低域遮断フィルタを用いた場合には、パルス電源１３７から出力された電荷除去電圧による漏れ電流が低域遮断フィルタに流れて損失となるため、低域遮断フィルタ１３３に代えて開閉素子１３６を用いることで流体浄化装置１００の効率を向上させることができる。なお、図１８において、低域遮断フィルタの代わりに開閉素子１３６を用いた場合であっても、パルス電源１３７を用いずに、パルス電源１３７に代えて図１６で示したように直流電源を用いてもよい。
以上、本発明の実施の形態１〜５について説明した。これらの、本発明の実施の形態１〜５で説明した構成は互いに組合せることができる。また、本発明の実施の形態１〜５で説明した構成を適宜、変形、省略することができる。
３０ 電源部
３１ パルス電源部、３１ａ 高圧側端子、３１ｂ 低圧側端子
３２ 電荷除去電圧発生部
３２ａ 第１の端子、３２ｂ 第２の端子、３２ｃ 第３の端子
３３、１３３ 低域遮断フィルタ（第２の減衰器）
３４、１３４ 高域遮断フィルタ（第１の減衰器）
３５、１３５ 直流電源
３７、１３７ パルス電源
３８ 整流器
４１ 流路
４２ ガス空間
４３ 高圧側電極（第１の電極）
４４ 低圧側電極（第２の電極）
５３ 接地電位
１００ 流体浄化装置

Claims (19)

  1. 液体が流れる流路と、
    前記流路を挟んで設けられた第１の電極および第２の電極と、
    前記第１の電極と前記第２の電極との間に放電を発生させる電圧パルスを周期的に発生するパルス電源部と、
    前記電圧パルスによって前記第１の電極と前記第２の電極との間に発生した放電が終了した後に前記第１の電極と前記第２の電極との間に印加される前記第１の電極と前記第２の電極との間に放電を発生させない電圧値の電荷除去電圧を発生する電荷除去電圧発生部と、
    を備え、
    前記第１の電極及び前記流路の間には、ガスが充満するガス空間が設けられ、
    前記流路は、平面状に形成された前記第２の電極上に設けられ、
    前記第２の電極は、上方から下方へ前記液体が流れるように傾いている、
    流体浄化装置。
  2. 前記パルス電源部が発生する前記電圧パルスの電圧値および前記電荷除去電圧発生部が発生する前記電荷除去電圧の電圧値は、それぞれ独立に設定できる請求項１に記載の流体浄化装置。
  3. 前記第１の電極と前記第２の電極との間に印加される前記電圧パルスおよび前記電圧パルスの後に前記第１の電極と前記第２の電極との間に印加される前記電荷除去電圧は、同極性の電圧である請求項１または２に記載の流体浄化装置。
  4. 前記電荷除去電圧は、前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧が０になる期間を介さずに前記電圧パルスに連続して前記第１の電極と前記第２の電極との間に印加される請求項３に記載の流体浄化装置。
  5. 前記電圧パルスは、前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧が０になる期間を介さずに前記電荷除去電圧に連続して前記第１の電極と前記第２の電極との間に印加される請求項４に記載の流体浄化装置。
  6. 前記電圧パルスの１周期のうち、前記第１の電極と前記第２の電極との間に放電が発生していない期間に亘って、前記第１の電極と前記第２の電極との間に印加される電圧を積分した値が、０．１Ｖ・ｓ以上である請求項１から５のいずれか１項に記載の流体浄化装置。
  7. 前記第２の電極は、接地電位に電気的に接続され、
    前記パルス電源部は、前記第１の電極と前記接地電位との間に電気的に接続され、
    前記電荷除去電圧発生部は、前記第１の電極と前記接地電位との間に電気的に接続された請求項１から６のいずれか１項に記載の流体浄化装置。
  8. 前記電荷除去電圧発生部は、
    前記電荷除去電圧を発生する電源と、
    前記パルス電源部が発生する前記電圧パルスが減衰されて前記電源に印加されるように、前記電源と直列に接続された第１の減衰器と、
    前記電源が発生する前記電荷除去電圧が減衰されて前記パルス電源部に印加されるように、前記電源と前記第１の減衰器との直列接続回路と前記パルス電源部との間に電気的に接続された第２の減衰器と、
    を備えた請求項７に記載の流体浄化装置。
  9. 流体が流れる流路と、
    前記流路を挟んで設けられた第１の電極および第２の電極と、
    前記第１の電極と前記第２の電極との間に放電を発生させる電圧パルスを周期的に発生するパルス電源部と、
    前記電圧パルスによって前記第１の電極と前記第２の電極との間に発生した放電が終了した後に前記第１の電極と前記第２の電極との間に印加される前記第１の電極と前記第２の電極との間に放電を発生させない電圧値の電荷除去電圧を発生する電荷除去電圧発生部と、を備え、
    前記第２の電極は、接地電位に電気的に接続され、
    前記パルス電源部は、前記第１の電極と前記接地電位との間に電気的に接続され、
    前記電荷除去電圧発生部は、前記第１の電極と前記接地電位との間に電気的に接続され、
    前記電荷除去電圧発生部は、
    前記電荷除去電圧を発生する電源と、
    前記パルス電源部が発生する前記電圧パルスが減衰されて前記電源に印加されるように、前記電源と直列に接続された第１の減衰器と、
    前記電源が発生する前記電荷除去電圧が減衰されて前記パルス電源部に印加されるように、前記電源と前記第１の減衰器との直列接続回路と前記パルス電源部との間に電気的に接続された第２の減衰器と、
    を備えた流体浄化装置。
  10. 前記パルス電源部は、前記接地電位と同電位に接続された低圧側端子と、前記低圧側端子よりも絶対値が大きい電圧を出力する高圧側端子と、を有し、
    前記電荷除去電圧発生部は、前記第１の電極と同電位に接続された第１の端子と、前記第２の電極および前記パルス電源部の前記低圧側端子と同電位に接続された第２の端子と、前記パルス電源部の前記高圧側端子と同電位に接続された第３の端子と、を有し、前記電源と前記第１の減衰器との前記直列接続回路が前記第１の端子と前記第２の端子との間に電気的に接続され、前記第２の減衰器が前記直列接続回路と前記第３の端子との間に電気的に接続された請求項８又は請求項９に記載の流体浄化装置。
  11. 前記パルス電源部は、前記第１の電極と接地電位との間に電気的に接続され、
    前記電荷除去電圧発生部は、前記第２の電極と前記接地電位との間に電気的に接続された請求項１から６のいずれか１項に記載の流体浄化装置。
  12. 前記電荷除去電圧発生部は、
    前記電荷除去電圧を発生する電源と、前記パルス電源部が発生する前記電圧パルスが減衰されて前記電源に印加されるように前記電源に直列に接続された第１の減衰器と、が直列に接続された直列接続回路と、
    前記直列接続回路と並列に接続され、前記パルス電源部が発生する前記電圧パルスを通過させ、前記電源から出力される電流を前記直列接続回路に短絡線を並列に接続した場合よりも減衰させる第２の減衰器と、
    を備えた請求項１１に記載の流体浄化装置。
  13. 流体が流れる流路と、
    前記流路を挟んで設けられた第１の電極および第２の電極と、
    前記第１の電極と前記第２の電極との間に放電を発生させる電圧パルスを周期的に発生するパルス電源部と、
    前記電圧パルスによって前記第１の電極と前記第２の電極との間に発生した放電が終了した後に前記第１の電極と前記第２の電極との間に印加される前記第１の電極と前記第２の電極との間に放電を発生させない電圧値の電荷除去電圧を発生する電荷除去電圧発生部と、を備え、
    前記パルス電源部は、前記第１の電極と接地電位との間に電気的に接続され、
    前記電荷除去電圧発生部は、前記第２の電極と前記接地電位との間に電気的に接続され、
    前記電荷除去電圧発生部は、
    前記電荷除去電圧を発生する電源と、前記パルス電源部が発生する前記電圧パルスが減衰されて前記電源に印加されるように前記電源に直列に接続された第１の減衰器と、が直列に接続された直列接続回路と、
    前記直列接続回路と並列に接続され、前記パルス電源部が発生する前記電圧パルスを通過させ、前記電源から出力される電流を前記直列接続回路に短絡線を並列に接続した場合よりも減衰させる第２の減衰器と、
    を備えた流体浄化装置。
  14. 前記第１の減衰器は、前記電圧パルスに含まれる周波数の減衰率が直流よりも大きい高域遮断フィルタであって、
    前記第２の減衰器は、直流の減衰率が前記電圧パルスに含まれる周波数よりも大きい低域遮断フィルタである請求項８、９、１０、１２、または１３のいずれか１項に記載の流体浄化装置。
  15. 前記電荷除去電圧発生部は、前記第１の電極と前記パルス電源部との間に電気的に接続された整流器を有し、
    前記整流器は、前記パルス電源部から出力された前記電圧パルスを前記第１の電極側に通過させ、前記第１の電極で反射された前記電圧パルスが前記パルス電源部側に向かって通過するのを阻止するとともに前記第１の電極側に再び反射させて前記電荷除去電圧を発生する請求項７に記載の流体浄化装置。
  16. 流体が流れる流路と、
    前記流路を挟んで設けられた第１の電極および第２の電極と、
    前記第１の電極と前記第２の電極との間に放電を発生させる電圧パルスを周期的に発生するパルス電源部と、
    前記電圧パルスによって前記第１の電極と前記第２の電極との間に発生した放電が終了した後に前記第１の電極と前記第２の電極との間に印加される前記第１の電極と前記第２の電極との間に放電を発生させない電圧値の電荷除去電圧を発生する電荷除去電圧発生部と、を備え、
    前記第２の電極は、接地電位に電気的に接続され、
    前記パルス電源部は、前記第１の電極と前記接地電位との間に電気的に接続され、
    前記電荷除去電圧発生部は、前記第１の電極と前記接地電位との間に電気的に接続され、
    前記電荷除去電圧発生部は、前記第１の電極と前記パルス電源部との間に電気的に接続された整流器を有し、
    前記整流器は、前記パルス電源部から出力された前記電圧パルスを前記第１の電極側に通過させ、前記第１の電極で反射された前記電圧パルスが前記パルス電源部側に向かって通過するのを阻止するとともに前記第１の電極側に再び反射させて前記電荷除去電圧を発生する流体浄化装置。
  17. 前記液体の主成分は水であって、前記流路は前記第２の電極上に設けられ、
    前記第１の電極は、前記流路との間にガス空間を挟んで設けられた請求項１から８、１１、１２、及び１５のいずれか１項に記載の流体浄化装置。
  18. 平面状に形成された第２の電極上に設けられ、液体が流れる流路を挟んで設けられた第１の電極と、上方から下方へ前記液体が流れるように傾いている前記第２の電極との間に電圧パルスを印加し、前記第１の電極と前記第２の電極との間に放電を発生させるステップと、
    前記電圧パルスによって前記第１の電極と前記第２の電極との間に発生した放電が終了した後に、前記第１の電極と前記第２の電極との間に放電を発生させない電圧値の電荷除去電圧を前記第１の電極と前記第２の電極との間に印加するステップと、
    を備える流体浄化方法。
  19. 前記電圧パルスの電圧値およびパルス幅を設定するステップと、
    前記電荷除去電圧の電圧値を設定するステップと、
    をさらに備える請求項１８に記載の流体浄化方法。
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