JP6843894B2 - 液中プラズマ装置 - Google Patents
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Description
本発明は、液体の中にプラズマを発生させる液中プラズマ装置に関する。
液体の中にプラズマを発生させて、電気化学的処理を施す装置が知られている。特許文献１の装置では、長方形の箱形容器の処理槽に被処理液が満たされ、処理槽の内部に導電性の板状体、凸板および電極が配置される。板状体、凸板および電極の間に高電圧を印加すると、プラズマが発生し、被処理液が電気化学的に浄化殺菌処理される。
特許文献２の装置では、プラズマを発生させるための電圧を低下させるため、管形電極から気体を処理槽内に注入して、気泡を形成する。これにより電極間は被処理液と共に気体が介在した状態となる。これにより、電極間に印加する高電圧パルスは、低い電圧であってもプラズマを発生し、被処理液が電気化学的に処理される。
特許文献３、４および５の装置では、通水管路の内径を縮小させたノズルが、被処理水を加圧送給する加圧部の後段に設けられている。そしてノズルの後段（下流側）に対電極が配置されている。そして被処理水を一定の圧力で送給し微小キャビテーション気泡を発生させ、対電極間に高電圧を印加して放電プラズマを発生させることにより、被処理水中に含有する有機物等の被処理物質の分解や合成等の処理を行う。
特許文献１および２の装置は、処理槽に被処理液を満たして処理を行う、いわゆるバッチ式の装置であるため、処理効率（時間当たりの処理量）を大きくすることが難しい。また特許文献２の装置では、気体を注入するための装置を必要とし、装置構成が複雑になる問題がある。
そして特許文献３、４および５の装置では、図６に示すように、ノズル（３ｂ）の下流側の端部は、被処理水の流れる方向に直交する平面として形成され、そのため被処理水の流路の直径はノズルの下流側で不連続に変化して、急激に拡大している。このような形状の流路では、ノズルの付近や下流側で乱流や剥離流が発生する。そうすると、キャビテーションの気泡が発生しにくく、また気泡が均一になり難いため、被処理水の流速をかなり大きくする必要があり、またプラズマも発生しにくくなるので、被処理水に対するプラズマ処理の効率が低下し、またプラズマ処理が十分に行われない可能性がある。
本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、処理効率を高めつつ装置構成を簡便化した液中プラズマ装置を提供することにある。
上記目的を達成するための液中プラズマ装置の特徴構成は、
液体が内部を流れる管状流路部と、前記管状流路部に設けられたキャビテーション発生部および電圧印加部とを有する液中プラズマ装置であって、
前記キャビテーション発生部は、前記管状流路部の内部の前記液体にキャビテーションを発生させ、
前記電圧印加部は、前記管状流路部に配置され、キャビテーションが発生した前記液体に電圧を印加してプラズマを発生させ、
前記キャビテーション発生部は、前記管状流路部において他の部位よりも内径が小さい絞り部を有して構成され、
前記絞り部は、
前記絞り部の最狭部位の上流側に配置された傾斜面である上流側傾斜面と、
前記絞り部の最狭部位の下流側に配置された傾斜面である下流側傾斜面とを有して構成され、前記下流側傾斜面の形状が正弦関数で表される点にある。
液体が内部を流れる管状流路部と、前記管状流路部に設けられたキャビテーション発生部および電圧印加部とを有する液中プラズマ装置であって、
前記キャビテーション発生部は、前記管状流路部の内部の前記液体にキャビテーションを発生させ、
前記電圧印加部は、前記管状流路部に配置され、キャビテーションが発生した前記液体に電圧を印加してプラズマを発生させ、
前記キャビテーション発生部は、前記管状流路部において他の部位よりも内径が小さい絞り部を有して構成され、
前記絞り部は、
前記絞り部の最狭部位の上流側に配置された傾斜面である上流側傾斜面と、
前記絞り部の最狭部位の下流側に配置された傾斜面である下流側傾斜面とを有して構成され、前記下流側傾斜面の形状が正弦関数で表される点にある。
上記の特徴構成によれば、管状流路部を流れる液体にプラズマを発生させるから、上述の処理槽方式に比べて液体の処理効率を飛躍的に高めることが可能となる。そして管状流路部に設けられたキャビテーション発生部は、管状流路部の内部の液体にキャビテーションを発生させ、電圧印加部は、管状流路部に配置され、キャビテーションが発生した液体に電圧を印加してプラズマを発生させるから、装置構成を簡便化しつつ、キャビテーションにより生じた気体により比較的低い電圧でプラズマを発生させ、液体に対する処理を行うことが可能となる。なお上述の液中プラズマ装置は、液体の浄化殺菌に限られず、液体への粉体等の分散促進など、様々な用途に用いることができる。また、金、白金、銅などの金属ナノ粒子の合成に用いることができる。
そしてキャビテーション発生部は、管状流路部において他の部位よりも内径が小さい絞り部を有して構成され、絞り部は、絞り部の最狭部位の上流側に配置された傾斜面である上流側傾斜面と、絞り部の最狭部位の下流側に配置された傾斜面である下流側傾斜面とを有して構成されるから、絞り部の内径が最狭部位の上流側から下流側にかけて連続的に減少・増加するので、乱流や剥離流の発生が抑制され、キャビテーションの気泡が発生し易くなり、発生する気泡も均一になり易い。すなわち上記の特徴構成によれば、より低い流量（流速）で均一なキャビテーション気泡が発生し、液体に対するプラズマ処理をより適切に行うことができる。
また、上記の特徴構成によれば、絞り部における液体の流れがよりスムースになり、乱流や剥離流の発生が抑制される。
上記目的を達成するための液中プラズマ装置の特徴構成は、
液体が内部を流れる管状流路部と、前記管状流路部に設けられたキャビテーション発生部および電圧印加部とを有する液中プラズマ装置であって、
前記キャビテーション発生部は、前記管状流路部の内部の前記液体にキャビテーションを発生させ、
前記電圧印加部は、前記管状流路部に配置され、キャビテーションが発生した前記液体に電圧を印加してプラズマを発生させ、
前記キャビテーション発生部は、前記管状流路部において他の部位よりも内径が小さい絞り部を有して構成され、
前記絞り部は、
前記絞り部の最狭部位の上流側に配置された傾斜面である上流側傾斜面と、
前記絞り部の最狭部位の下流側に配置された傾斜面である下流側傾斜面とを有して構成され、
前記キャビテーション発生部は、直列に隣接して配置された少なくとも２つの絞り部を有し、上流側に配置された上流絞り部において前記電圧印加部が前記液体に印加する電圧は、前記上流絞り部の下流側に配置された下流絞り部において前記電圧印加部が前記液体に印加する電圧よりも高い点にある。
上記の特徴構成によれば、管状流路部を流れる液体にプラズマを発生させるから、上述の処理槽方式に比べて液体の処理効率を飛躍的に高めることが可能となる。そして管状流路部に設けられたキャビテーション発生部は、管状流路部の内部の液体にキャビテーションを発生させ、電圧印加部は、管状流路部に配置され、キャビテーションが発生した液体に電圧を印加してプラズマを発生させるから、装置構成を簡便化しつつ、キャビテーションにより生じた気体により比較的低い電圧でプラズマを発生させ、液体に対する処理を行うことが可能となる。なお上述の液中プラズマ装置は、液体の浄化殺菌に限られず、液体への粉体等の分散促進など、様々な用途に用いることができる。また、金、白金、銅などの金属ナノ粒子の合成に用いることができる。
そしてキャビテーション発生部は、管状流路部において他の部位よりも内径が小さい絞り部を有して構成され、絞り部は、絞り部の最狭部位の上流側に配置された傾斜面である上流側傾斜面と、絞り部の最狭部位の下流側に配置された傾斜面である下流側傾斜面とを有して構成されるから、絞り部の内径が最狭部位の上流側から下流側にかけて連続的に減少・増加するので、乱流や剥離流の発生が抑制され、キャビテーションの気泡が発生し易くなり、発生する気泡も均一になり易い。すなわち上記の特徴構成によれば、より低い流量（流速）で均一なキャビテーション気泡が発生し、液体に対するプラズマ処理をより適切に行うことができる。
また、上記の特徴構成によれば、上流絞り部の印加電圧が下流絞り部の印加電圧より高いことにより、上流側でより多くのプラズマを発生させて、プラズマによる処理を効率的に行うことができる。
上記目的を達成するための液中プラズマ装置の特徴構成は、
液体が内部を流れる管状流路部と、前記管状流路部に設けられたキャビテーション発生部および電圧印加部とを有する液中プラズマ装置であって、
前記キャビテーション発生部は、前記管状流路部の内部の前記液体にキャビテーションを発生させ、
前記電圧印加部は、前記管状流路部に配置され、キャビテーションが発生した前記液体に電圧を印加してプラズマを発生させ、
前記キャビテーション発生部は、前記管状流路部において他の部位よりも内径が小さい絞り部を有して構成され、
前記絞り部は、
前記絞り部の最狭部位の上流側に配置された傾斜面である上流側傾斜面と、
前記絞り部の最狭部位の下流側に配置された傾斜面である下流側傾斜面とを有して構成され、
前記キャビテーション発生部は、直列に隣接して配置された少なくとも２つの絞り部を有し、上流側に配置された上流絞り部の内径は、前記上流絞り部の下流側に配置された下流絞り部の内径よりも大きい点にある。
上記の特徴構成によれば、管状流路部を流れる液体にプラズマを発生させるから、上述の処理槽方式に比べて液体の処理効率を飛躍的に高めることが可能となる。そして管状流路部に設けられたキャビテーション発生部は、管状流路部の内部の液体にキャビテーションを発生させ、電圧印加部は、管状流路部に配置され、キャビテーションが発生した液体に電圧を印加してプラズマを発生させるから、装置構成を簡便化しつつ、キャビテーションにより生じた気体により比較的低い電圧でプラズマを発生させ、液体に対する処理を行うことが可能となる。なお上述の液中プラズマ装置は、液体の浄化殺菌に限られず、液体への粉体等の分散促進など、様々な用途に用いることができる。また、金、白金、銅などの金属ナノ粒子の合成に用いることができる。
そしてキャビテーション発生部は、管状流路部において他の部位よりも内径が小さい絞り部を有して構成され、絞り部は、絞り部の最狭部位の上流側に配置された傾斜面である上流側傾斜面と、絞り部の最狭部位の下流側に配置された傾斜面である下流側傾斜面とを有して構成されるから、絞り部の内径が最狭部位の上流側から下流側にかけて連続的に減少・増加するので、乱流や剥離流の発生が抑制され、キャビテーションの気泡が発生し易くなり、発生する気泡も均一になり易い。すなわち上記の特徴構成によれば、より低い流量（流速）で均一なキャビテーション気泡が発生し、液体に対するプラズマ処理をより適切に行うことができる。
また、上記の特徴構成によれば、上流絞り部の内径が下流絞り部の内径よりも大きいことにより、下流側でより多くの気泡を発生させて、プラズマによる処理を効率的に行うことができる。
また、上記の特徴構成によれば、絞り部における液体の流れがよりスムースになり、乱流や剥離流の発生が抑制される。
上記目的を達成するための液中プラズマ装置の特徴構成は、
液体が内部を流れる管状流路部と、前記管状流路部に設けられたキャビテーション発生部および電圧印加部とを有する液中プラズマ装置であって、
前記キャビテーション発生部は、前記管状流路部の内部の前記液体にキャビテーションを発生させ、
前記電圧印加部は、前記管状流路部に配置され、キャビテーションが発生した前記液体に電圧を印加してプラズマを発生させ、
前記キャビテーション発生部は、前記管状流路部において他の部位よりも内径が小さい絞り部を有して構成され、
前記絞り部は、
前記絞り部の最狭部位の上流側に配置された傾斜面である上流側傾斜面と、
前記絞り部の最狭部位の下流側に配置された傾斜面である下流側傾斜面とを有して構成され、
前記キャビテーション発生部は、直列に隣接して配置された少なくとも２つの絞り部を有し、上流側に配置された上流絞り部において前記電圧印加部が前記液体に印加する電圧は、前記上流絞り部の下流側に配置された下流絞り部において前記電圧印加部が前記液体に印加する電圧よりも高い点にある。
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そしてキャビテーション発生部は、管状流路部において他の部位よりも内径が小さい絞り部を有して構成され、絞り部は、絞り部の最狭部位の上流側に配置された傾斜面である上流側傾斜面と、絞り部の最狭部位の下流側に配置された傾斜面である下流側傾斜面とを有して構成されるから、絞り部の内径が最狭部位の上流側から下流側にかけて連続的に減少・増加するので、乱流や剥離流の発生が抑制され、キャビテーションの気泡が発生し易くなり、発生する気泡も均一になり易い。すなわち上記の特徴構成によれば、より低い流量（流速）で均一なキャビテーション気泡が発生し、液体に対するプラズマ処理をより適切に行うことができる。
また、上記の特徴構成によれば、上流絞り部の印加電圧が下流絞り部の印加電圧より高いことにより、上流側でより多くのプラズマを発生させて、プラズマによる処理を効率的に行うことができる。
上記目的を達成するための液中プラズマ装置の特徴構成は、
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前記絞り部の最狭部位の下流側に配置された傾斜面である下流側傾斜面とを有して構成され、
前記キャビテーション発生部は、直列に隣接して配置された少なくとも２つの絞り部を有し、上流側に配置された上流絞り部の内径は、前記上流絞り部の下流側に配置された下流絞り部の内径よりも大きい点にある。
上記の特徴構成によれば、管状流路部を流れる液体にプラズマを発生させるから、上述の処理槽方式に比べて液体の処理効率を飛躍的に高めることが可能となる。そして管状流路部に設けられたキャビテーション発生部は、管状流路部の内部の液体にキャビテーションを発生させ、電圧印加部は、管状流路部に配置され、キャビテーションが発生した液体に電圧を印加してプラズマを発生させるから、装置構成を簡便化しつつ、キャビテーションにより生じた気体により比較的低い電圧でプラズマを発生させ、液体に対する処理を行うことが可能となる。なお上述の液中プラズマ装置は、液体の浄化殺菌に限られず、液体への粉体等の分散促進など、様々な用途に用いることができる。また、金、白金、銅などの金属ナノ粒子の合成に用いることができる。
そしてキャビテーション発生部は、管状流路部において他の部位よりも内径が小さい絞り部を有して構成され、絞り部は、絞り部の最狭部位の上流側に配置された傾斜面である上流側傾斜面と、絞り部の最狭部位の下流側に配置された傾斜面である下流側傾斜面とを有して構成されるから、絞り部の内径が最狭部位の上流側から下流側にかけて連続的に減少・増加するので、乱流や剥離流の発生が抑制され、キャビテーションの気泡が発生し易くなり、発生する気泡も均一になり易い。すなわち上記の特徴構成によれば、より低い流量（流速）で均一なキャビテーション気泡が発生し、液体に対するプラズマ処理をより適切に行うことができる。
また、上記の特徴構成によれば、上流絞り部の内径が下流絞り部の内径よりも大きいことにより、下流側でより多くの気泡を発生させて、プラズマによる処理を効率的に行うことができる。
本発明に係る液中プラズマ装置の別の特徴構成は、前記下流側傾斜面の形状が正弦関数で表される点にある。
上記の特徴構成によれば、絞り部における液体の流れがよりスムースになり、乱流や剥離流の発生が抑制され好適である。
本発明に係る液中プラズマ装置の別の特徴構成は、前記上流側傾斜面と前記下流側傾斜面とは、前記最狭部位に関して対称な形状である点にある。
上記の特徴構成によれば、絞り部における液体の流れがよりスムースになり、乱流や剥離流の発生が抑制され好適である。
本発明に係る液中プラズマ装置の別の特徴構成は、前記下流側傾斜面が、前記液体の流れの剥離が生じない形状とされている点にある。
絞り部において剥離流が生じると、液体の圧力の低下が抑制されて、キャビテーションが発生しにくくなる。上記の特徴構成によれば、絞り部においてキャビテーションが容易に発生し、液体に対するプラズマ処理をより適切に行うことができる。
本発明に係る液中プラズマ装置の別の特徴構成は、前記キャビテーション発生部は、直列に隣接して配置された少なくとも２つの絞り部を有し、上流側に配置された上流絞り部において前記電圧印加部が前記液体に印加する電圧は、前記上流絞り部の下流側に配置された下流絞り部において前記電圧印加部が前記液体に印加する電圧よりも高い点にある。
上記の特徴構成によれば、上流絞り部の印加電圧が下流絞り部の印加電圧より高いことにより、上流側でより多くのプラズマを発生させて、プラズマによる処理を効率的に行うことができ好適である。
本発明に係る液中プラズマ装置の別の特徴構成は、前記キャビテーション発生部は、直列に隣接して配置された少なくとも２つの絞り部を有し、上流側に配置された上流絞り部の内径は、前記上流絞り部の下流側に配置された下流絞り部の内径よりも大きい点にある。
上記の特徴構成によれば、上流絞り部の内径が下流絞り部の内径よりも大きいことにより、下流側でより多くの気泡を発生させて、プラズマによる処理を効率的に行うことができ好適である。
本発明に係る液中プラズマ装置の別の特徴構成は、複数の前記管状流路部が並列に配置される点にある。
上記の特徴構成によれば、複数の管状流路部が並列に配置されることにより、液中プラズマ装置の処理効率（時間当たりの処理量）を更に高めることができ好適である。
本発明は、遠心式の吸引ポンプ機構部を有し、前記管状流路部から流出した前記液体が前記吸引ポンプ機構部へ供給され、前記吸引ポンプ機構部から吐出された前記液体が前記状流路部へ供給される形態の液中プラズマ装置に好適に適用し得る。
以下図面を参照しながら、本実施形態に係る液中プラズマ装置について説明する。図１に示すように、液中プラズマ装置１は、管状流路部１０、キャビテーション発生部Ａ、電圧印加部Ｂおよび吸引ポンプ機構部４０、管状部５０、管状部６０およびタンクＴを有して構成される。
管状流路部１０の出口と吸引ポンプ機構部４０の吸入口とが、管状部５０で接続されている。吸引ポンプ機構部４０の吐出口に管状部６０が接続されている。管状部６０の出口はタンクＴの上方に配置されている。そしてタンクＴと管状流路部１０とが接続されている。以上の構成により、タンクＴの液体が、吸引ポンプ機構部４０に吸引されて管状流路部１０を通流し、管状部５０、吸引ポンプ機構部４０および管状部６０を通ってタンクＴに戻される。すなわち、タンクＴと管状流路部１０とを液体が循環する循環流路が形成されている。
キャビテーション発生部Ａは、管状流路部１０の内部の液体にキャビテーションを発生させる。電圧印加部Ｂは、管状流路部１０に配置され、キャビテーションが発生した液体に電圧を印加してプラズマを発生させる。
以上のように構成された液中プラズマ装置１によれば、管状流路部１０を流れる液体に対してプラズマによる処理を施すことができる。例えば、液体に対して浄化殺菌処理を施すことができる。例えば、液体を分散質と液相分散媒の混合流体として、分散質の液相分散媒への分散を補助することができる。これは、分散困難な分散質であっても、プラズマ処理によって表面にＯＨ基やＨ基を生成して、この表面改質により分散を補助するものである。具体的には、リチウムイオン電池の材料や、樹脂補強材へのカーボン材料の分散、特にカーボンナノチューブやカーボンブラック等の分散が困難な材料の改質、化粧品における酸化チタン等の無機材料の高濃度分散等に適用可能である。
管状流路部１０は、管状の部材であって、第１絞り部２１、第２絞り部２２、第３絞り部２３、および第４絞り部２４を有して構成される。本実施形態では、管状流路部１０の断面は長方形に形成されている。具体的には管状流路部１０は、上壁面１０ａと、下壁面１０ｂと、一対の側壁面１０ｃおよび１０ｄ（図２参照）とを有して構成される。一対の側壁面の間の距離は一定である。上壁面１０ａおよび下壁面１０ｂは、図１に示すように、連続的に高さが変化する波形形状に形成されている。つまり管状流路部１０の断面の長方形は、幅方向（図１の紙面に垂直な方向）の大きさは一定であり、高さ方向（液体の流れる方向に垂直な方向で、下壁面１０ｂから上壁面１０ａへ向かう方向）の大きさが連続的かつ周期的に変化する。
より詳しくは上壁面１０ａおよび下壁面１０ｂは、正弦波の形状に形成されている。そして上壁面１０ａの谷の頂点と、下壁面１０ｂの山の頂点とが、液体の流れる方向に関して一致する位置に配置されている。これにより、管状流路部１０において、他の部位よりも内径が小さい絞り部が形成されている。本実施形態では、液体の流れる方向に沿って、第１絞り部２１、第２絞り部２２、第３絞り部２３、および第４絞り部の４つの絞り部が形成されている。
このように構成された管状流路部１０に液体が流れると、管状流路部１０の断面積（すなわち断面の長方形の面積）が周期的に変化することにより、断面積の小さな部位で液体の流速が大きくなり、液体の圧力が低下する。本実施形態では、管状流路部１０の４つの絞り部にて液体の圧力が低下することになる。そして低下した液体の圧力が、液体の飽和蒸気圧を下回った場合に、液体が減圧沸騰し、液体にキャビテーションが発生することになる。つまり本実施形態では、キャビテーション発生部Ａが、４つの絞り部（第１絞り部２１、第２絞り部２２、第３絞り部２３、および第４絞り部２４）を有して構成される。
本実施形態では、第１絞り部２１の内径Ｌ１、第２絞り部２２の内径Ｌ２、第３絞り部２３の内径Ｌ３、および第４絞り部２４の内径Ｌ４は、以下の関係にある。
Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３＞Ｌ４
つまり管状流路部１０の複数の絞り部は、その内径が、液体の流れる方向に沿って徐々に減少するように形成されている。換言すれば、上流側に配置された上流絞り部（例えば第１絞り部２１）の内径（Ｌ１）は、上流絞り部の下流側に配置された下流絞り部（例えば第２絞り部２２）の内径（Ｌ２）よりも大きい。
Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３＞Ｌ４
つまり管状流路部１０の複数の絞り部は、その内径が、液体の流れる方向に沿って徐々に減少するように形成されている。換言すれば、上流側に配置された上流絞り部（例えば第１絞り部２１）の内径（Ｌ１）は、上流絞り部の下流側に配置された下流絞り部（例えば第２絞り部２２）の内径（Ｌ２）よりも大きい。
本実施形態では電圧印加部Ｂは、第１電極部３１、第２電極部３２、第３電極部３３、第４電極部３４を有して構成される。これら４つの電極部はそれぞれ、図１に示すように、管状流路部１０の上壁面１０ａと下壁面１０ｂとに配置された一対の電極により構成される。そして４つの電極部はそれぞれ、制御装置３５に接続され、制御装置３５から高電圧が供給されて、上壁面１０ａの電極と下壁面１０ｂの電極との間に高電圧を印加する。これにより、管状流路部１０を流れる液体にプラズマが発生する。
第１電極部３１の電極は、第１絞り部２１に配置される。第２電極部３２の電極は、第２絞り部２２に配置される。第３電極部３３の電極は、第３絞り部２３に配置される。第４電極部３４の電極は、第４絞り部２４に配置される。詳しくは、各絞り部の各電極は、管状流路部１０の内径が最も小さくなる部位、すなわち上壁面１０ａと下壁面１０ｂとが最も近接する部位（最狭部位Ｄ）の、僅かに上流側に配置される。後述の通り、本実施形態の管状流路部１０によれば、キャビテーション発生部Ａにおいて最狭部位Ｄの下流側だけでなく上流側でもキャビテーションの気泡が発生する。各電極を最狭部位Ｄの上流側に配置することで、最狭部位Ｄの上流側で発生した気泡でプラズマが発生し、液体へのプラズマ処理がより好適に行われる。
本実施形態では、第１絞り部２１にて第１電極部３１が液体に印可する電圧Ｖ１、第２絞り部２２にて第１電極部３１が液体に印可する電圧Ｖ２、第３絞り部２３にて第３電極部３３が液体に印可する電圧Ｖ３、第４絞り部２４にて第４電極部３４が液体に印可する電圧Ｖ４は、以下の関係にある。
Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ３＞Ｖ４
つまり管状流路部１０の内部の液体に印可される電圧は、液体の流れる方向に沿って徐々に減少するように制御される。換言すれば、上流側に配置された上流絞り部（例えば第１絞り部２１）において電圧印加部が液体に印加する電圧（Ｖ１）は、上流絞り部の下流側に配置された下流絞り部（例えば第２絞り部２２）において電圧印加部が液体に印加する電圧（Ｖ２）よりも高い。
Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ３＞Ｖ４
つまり管状流路部１０の内部の液体に印可される電圧は、液体の流れる方向に沿って徐々に減少するように制御される。換言すれば、上流側に配置された上流絞り部（例えば第１絞り部２１）において電圧印加部が液体に印加する電圧（Ｖ１）は、上流絞り部の下流側に配置された下流絞り部（例えば第２絞り部２２）において電圧印加部が液体に印加する電圧（Ｖ２）よりも高い。
吸引ポンプ機構部４０は、上流側から液体を吸引して、下流側へ送り出す機構である。吸引ポンプ機構部４０としては、液体を送出可能なポンプであれば好適に使用可能である。また、装置内部で回転翼が回転して粉体と流体を吸引し、内部で粉体の分散を行って排出する分散液作成装置も好適に使用可能である。詳しくは分散液作成装置が、回転翼の翼室の内部における移動により、複数の回転翼とステータと外周壁部とにより区画された複数の流体空間が回転移動して、導入室から透孔を通じて流体空間に混合流体を吸引し、流体空間が吐出口と連通した際に流体空間から吐出口へ混合流体を排出する形態であってもよい。
以下、図２〜５を参照しながら、管状流路部１０の形状について更に詳しく説明する。
本実施形態の管状流路部１０において、各絞り部は、絞り部の最狭部位Ｄの上流側に配置された傾斜面である上流側傾斜面Ｅと、絞り部の最狭部位Ｄの下流側に配置された傾斜面である下流側傾斜面Ｆとを有して構成される（図２では、第３絞り部２３と第４絞り部２４とが示されている）。そして上述の通り本実施形態では、上流側傾斜面Ｅおよび下流側傾斜面Ｆの形状が、正弦関数で表される形状となっている。また、上流側傾斜面Ｅと下流側傾斜面Ｆとは、最狭部位Ｄに関して対称な形状である。
特に、管状流路部１０の下流側傾斜面Ｆが、液体の流れの剥離が生じない形状とされている。剥離が生じない形状は、例えば次の様にして決定することができる。
図３に示す一般的な円錐ディフューザについて、流れの内壁からの剥離が生じない条件は、図４に示すディフューザ線図を用いて求めることができる。図４のディフューザ線図において、Ｃp **線より右側の領域では、剥離が生じず流れが安定する。すなわち、Ｃp **線より右側の領域に位置するように２ｌ3／ｌ2（以下、ｎとおく。）およびＳ1／Ｓ2の値（断面積の面積比）を決定すれば、剥離が生じない。この時のディフューザ内壁の傾きθ正接は、図３から次の様に表すことができる。
上掲の議論を適用して、下流側傾斜面Ｆの傾きが数１のｔａｎθ以下であれば、混合液ＭＩの流れの剥離は生じないと考えられる。
図５に示す下流側傾斜面Ｆの形状において、傾きが数１のｔａｎθ以下となる条件は、次の様に求められる。下流側傾斜面Ｆの内壁の形状を表す関数ｙ（ｘ）を、ａ、ｂを定数として次の様におく。
この関数の最大の傾きはｘ＝π／２ｂで発生するから、その傾きが数１で表される角度以内となればよい。すなわち、以下の関係が成り立てばよい。
数２、数３より、ｂが以下のように求まる。
したがって、下流側傾斜面Ｆの形状を表す関数ｙ（ｘ）は次の様に表すことができる。
以上の様にして、２ｌ3／ｌ2およびＳ1／Ｓ2の値を適切に決定し、それに基づいて下流側傾斜面Ｆの形状を決定することで、下流側傾斜面Ｆを、内壁からの流れの剥離が生じない形状とすることができる。
＜殺菌性確認＞
上述の液中プラズマ装置１を用いて、水中の大腸菌を死滅させる実験を行った。実験装置である液中プラズマ装置１の詳細と、実験条件を以下に記す。
管状流路部１０の形状
絞り部の高さ（Ｌ１〜Ｌ４）：５ｍｍ
絞り部の幅 ：１５ｍｍ
内径最大部の高さ ：１５ｍｍ
長さ ：７２０ｍｍ
吸引ポンプ機構部４０の運転条件
液体の流速 ：８００ｍ／分以上
電圧印加部Ｂの運転条件
印加電圧 ：±４．０ｋＶ
パルス幅 ：１．５μｓ
パルス周波数 ：６０ｋＨｚ
上述の液中プラズマ装置１を用いて、水中の大腸菌を死滅させる実験を行った。実験装置である液中プラズマ装置１の詳細と、実験条件を以下に記す。
管状流路部１０の形状
絞り部の高さ（Ｌ１〜Ｌ４）：５ｍｍ
絞り部の幅 ：１５ｍｍ
内径最大部の高さ ：１５ｍｍ
長さ ：７２０ｍｍ
吸引ポンプ機構部４０の運転条件
液体の流速 ：８００ｍ／分以上
電圧印加部Ｂの運転条件
印加電圧 ：±４．０ｋＶ
パルス幅 ：１．５μｓ
パルス周波数 ：６０ｋＨｚ
実験開始前の試験液０．０１ｍｌを寒天培地に滴下して培養したところ、大腸菌のコロニーが多数発生した。上記の実験条件にて５分間、液中プラズマ装置１を運転し、試験液に対してプラズマ処理を行った。運転中、管状流路部１０にてプラズマ生成を示す発光が確認された。運転後の試験液０．０１ｍｌに対して同条件で培養を試みたが、大腸菌のコロニー発生は観測されなかった。以上の実験により、液中プラズマ装置１により大腸菌の殺菌が可能であることが確認された。
＜プラズマ発光強度測定＞
吸引ポンプ機構部４０の回転数を変化させて、管状流路部１０でのプラズマ生成による発光の強度を測定した。実験条件を以下に示す。結果を表１に示す。
電圧印加部Ｂの運転条件
印加電圧 ：±４ｋＶ
パルス幅 ：０．８μｓ
電極材質 ：タングステン
吸引ポンプ機構部４０の回転数を変化させて、管状流路部１０でのプラズマ生成による発光の強度を測定した。実験条件を以下に示す。結果を表１に示す。
電圧印加部Ｂの運転条件
印加電圧 ：±４ｋＶ
パルス幅 ：０．８μｓ
電極材質 ：タングステン
表１に示すように、吸引ポンプ機構部４０の回転数の増加に伴って、管状流路部１０の発光の強度が増加した。これは、吸引ポンプ機構部４０の回転数が増加すると、管状流路部１０における液体の流速が増加して、キャビテーションによる気泡の発生量が増加したためと考えられる。
＜シミュレーションによる従来技術との比較＞
本実施形態に係る管状流路部１０と、従来装置（図６）との間で、キャビテーションの発生について比較するため、流速および圧力のシミュレーションを行った。
本実施形態に係る管状流路部１０と、従来装置（図６）との間で、キャビテーションの発生について比較するため、流速および圧力のシミュレーションを行った。
図７は、従来装置の流速1500Ｌ／ｈでの流速のシミュレーション結果である。図の下方から上向きに流入する液体は、内径が小さくなる部位（ノズル）で流速が増加し、ノズルの下流側においても、管の中央部は流速が大きくなっている。しかし、ノズルの下流側の内径が大きい部位において、管の外壁の近傍では、流速が大きく低下する上に、図の下向きの流れ（逆流）が生じている。図８（従来装置、流速2000Ｌ／ｈ）でも、同様の状況である。この結果は、従来装置の形状では、ノズルの下流側で乱流や剥離流が発生し易いことを示している。
図１１は、従来装置の圧力シミュレーション結果である。縦軸は、管の中心部での液体の圧力を示す。横軸は液体の流れ方向の位置であって、内径が最も小さくなる部位（ノズルの下流側の端部）を０とし、上流側を（−）、下流側を（＋）として示す。圧力の最小値は、流速1500Ｌ／ｈで約−０．０３Ｐａ、流速2000Ｌ／ｈで約−０．０５Ｐａとなっている。
図１１は、従来装置の圧力シミュレーション結果である。縦軸は、管の中心部での液体の圧力を示す。横軸は液体の流れ方向の位置であって、内径が最も小さくなる部位（ノズルの下流側の端部）を０とし、上流側を（−）、下流側を（＋）として示す。圧力の最小値は、流速1500Ｌ／ｈで約−０．０３Ｐａ、流速2000Ｌ／ｈで約−０．０５Ｐａとなっている。
図９は、本実施形態に係る管状流路部１０での流速1500Ｌ／ｈでの流速のシミュレーション結果である。図７および８の従来装置と同様に、図の下方から上向きに流入する液体は、最狭部位Ｄに近づくにつれて流速が増加する。しかし従来装置と異なり、最狭部位Ｄの下流側では、流路の全体（断面方向）で均一な流速となっている。そして、下流の最広部位Ｃに近づくにつれて、全体的に徐々に流速が減少する。従来装置で見られたような、管の外壁の近傍での逆流や、流速の大幅な減少は、本実施形態に係る管状流路部１０では発生していない。図１０（管状流路部１０、流速2000Ｌ／ｈ）でも、同様の状況である。この結果は、本実施形態に係る管状流路部１０では、従来装置と異なり、乱流や剥離流が発生し難いことを示している。
図１２は、本実施形態に係る管状流路部１０の圧力シミュレーション結果である。圧力の最小値は、流速1500Ｌ／ｈで約−０．０９Ｐａ、流速2000Ｌ／ｈで約−０．１６Ｐａとなっており、従来装置に比べて圧力が大きく低下し、キャビテーションが発生し易くなっている。また、従来装置では位置０ｍｍの直前で圧力が低下しているのに対し、管状流路部１０では、位置−２０ｍｍ付近から圧力が徐々に低下し、さらに圧力の低下量も従来装置に比べて大きい。この結果は、本実施形態に係る管状流路部１０では、最狭部位Ｄの手前からキャビテーションが発生し得ることを示している。
＜キャビテーション気泡発生確認＞
上述の液中プラズマ装置１にて、キャビテーション発生部Ａ（絞り部）におけるキャビテーションの気泡の発生確認を行った。管状流路部１０に流速３．０m/sec以上で水を流した状態での、キャビテーション発生部Ａの写真を図１３に示す。
上述の液中プラズマ装置１にて、キャビテーション発生部Ａ（絞り部）におけるキャビテーションの気泡の発生確認を行った。管状流路部１０に流速３．０m/sec以上で水を流した状態での、キャビテーション発生部Ａの写真を図１３に示す。
図１３の左側が上流側であり、右側が下流側である。中央の最狭部位Ｄから下流側の最広部位Ｃにかけて、多数の気泡（黒い部位）が発生している。気泡は、最狭部位Ｄの下流側だけでなく、上流側でも発生している。この結果により、上述の圧力シミュレーション結果が示す最狭部位Ｄの上流での圧力低下が実際に発生し、最狭部位Ｄの上流側でキャビテーション発生およびプラズマ生成が可能なことが示された。
（他の実施形態）
（１）上述の実施形態では、液中プラズマ装置１は１つの管状流路部１０を有して構成された。管状流路部１０の数は１つに限られず、複数の管状流路部１０が並列に配置されてもよい。これにより、液中プラズマ装置によりプラズマ処理される単位時間当たりの液体の量（処理効率）を高めることができる。
（１）上述の実施形態では、液中プラズマ装置１は１つの管状流路部１０を有して構成された。管状流路部１０の数は１つに限られず、複数の管状流路部１０が並列に配置されてもよい。これにより、液中プラズマ装置によりプラズマ処理される単位時間当たりの液体の量（処理効率）を高めることができる。
（２）管状流路部１０における絞り部の数は、４つに限られず、１〜３個あるいは５個以上も可能である。
（３）上述の実施形態では、絞り部の内径が、Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３＞Ｌ４となるように管状流路部１０が形成された。絞り部の内径は、全て同じにすることも可能であるし、Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３＜Ｌ４とすることも可能であるし、大小関係を入れ替えたあらゆる形態が可能である。
（４）上述の実施形態では、電極部の印可電圧が、Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ３＞Ｖ４となるように制御装置３５によって制御された。印可電圧は、全て同じにすることも可能であるし、Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ３＜Ｖ４とすることも可能であるし、大小関係を入れ替えたあらゆる形態が可能である。
（５）上述の実施形態では、液中プラズマ装置１において循環流路が形成され、管状流路部１０を通過した液体が、吸引ポンプ機構部４０を通り、管状流路部１０に戻されて、再び管状流路部１０を通過するよう構成された。これを改変し、管状流路部１０を通過してプラズマ処理された液体が、そのまま液中プラズマ装置１から排出されるよう構成してもよい。このような、いわゆるワンパス形式の液中プラズマ装置１は、例えばタンク内に溜められた大量の液体に対してプラズマ処理を施す場合（例えば、タンカーのバラスト水など）に好適に適用しうる。この場合、必要なプラズマ処理の程度（殺菌力、あるいは粉体の分散度合い等）に応じて、プラズマの強度や管状流路部１０の長さが適宜調整される。
（６）上述の液中プラズマ装置１と、吐出部でキャビテーションを発生できる遠心式ポンプ機構（ジェットペースタ）とを組み合わせることにより、プラズマ発光性能を大きく向上させることも可能である。詳しくは、遠心式ポンプ機構（ジェットペースタ）の吐出口に電圧印加部Ｂを備えた管状流路部１０を配置することで、管状流路部１０でのプラズマ発光性能を大きく向上させることが可能である。
なお上述の実施形態（他の実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
１ ：液中プラズマ装置
１０ ：管状流路部
１０ａ ：上壁面
１０ｂ ：下壁面
１０ｃ ：側壁面
１０ｄ ：側壁面
２１ ：第１絞り部
２２ ：第２絞り部
２３ ：第３絞り部
２４ ：第４絞り部
３１ ：第１電極部
３２ ：第２電極部
３３ ：第３電極部
３４ ：第４電極部
３５ ：制御装置
４０ ：吸引ポンプ機構部
５０ ：管状部
６０ ：管状部
Ａ ：キャビテーション発生部
Ｂ ：電圧印加部
Ｃ ：最広部位
Ｄ ：最狭部位
Ｅ ：上流側傾斜面
Ｆ ：下流側傾斜面
１０ ：管状流路部
１０ａ ：上壁面
１０ｂ ：下壁面
１０ｃ ：側壁面
１０ｄ ：側壁面
２１ ：第１絞り部
２２ ：第２絞り部
２３ ：第３絞り部
２４ ：第４絞り部
３１ ：第１電極部
３２ ：第２電極部
３３ ：第３電極部
３４ ：第４電極部
３５ ：制御装置
４０ ：吸引ポンプ機構部
５０ ：管状部
６０ ：管状部
Ａ ：キャビテーション発生部
Ｂ ：電圧印加部
Ｃ ：最広部位
Ｄ ：最狭部位
Ｅ ：上流側傾斜面
Ｆ ：下流側傾斜面
Claims (10)
- 液体が内部を流れる管状流路部と、前記管状流路部に設けられたキャビテーション発生部および電圧印加部とを有する液中プラズマ装置であって、
前記キャビテーション発生部は、前記管状流路部の内部の前記液体にキャビテーションを発生させ、
前記電圧印加部は、前記管状流路部に配置され、キャビテーションが発生した前記液体に電圧を印加してプラズマを発生させ、
前記キャビテーション発生部は、前記管状流路部において他の部位よりも内径が小さい絞り部を有して構成され、
前記絞り部は、
前記絞り部の最狭部位の上流側に配置された傾斜面である上流側傾斜面と、
前記絞り部の最狭部位の下流側に配置された傾斜面である下流側傾斜面とを有して構成され、前記下流側傾斜面の形状が正弦関数で表される、液中プラズマ装置。 - 液体が内部を流れる管状流路部と、前記管状流路部に設けられたキャビテーション発生部および電圧印加部とを有する液中プラズマ装置であって、
前記キャビテーション発生部は、前記管状流路部の内部の前記液体にキャビテーションを発生させ、
前記電圧印加部は、前記管状流路部に配置され、キャビテーションが発生した前記液体に電圧を印加してプラズマを発生させ、
前記キャビテーション発生部は、前記管状流路部において他の部位よりも内径が小さい絞り部を有して構成され、
前記絞り部は、
前記絞り部の最狭部位の上流側に配置された傾斜面である上流側傾斜面と、
前記絞り部の最狭部位の下流側に配置された傾斜面である下流側傾斜面とを有して構成され、
前記キャビテーション発生部は、直列に隣接して配置された少なくとも２つの絞り部を有し、上流側に配置された上流絞り部において前記電圧印加部が前記液体に印加する電圧は、前記上流絞り部の下流側に配置された下流絞り部において前記電圧印加部が前記液体に印加する電圧よりも高い、液中プラズマ装置。 - 液体が内部を流れる管状流路部と、前記管状流路部に設けられたキャビテーション発生部および電圧印加部とを有する液中プラズマ装置であって、
前記キャビテーション発生部は、前記管状流路部の内部の前記液体にキャビテーションを発生させ、
前記電圧印加部は、前記管状流路部に配置され、キャビテーションが発生した前記液体に電圧を印加してプラズマを発生させ、
前記キャビテーション発生部は、前記管状流路部において他の部位よりも内径が小さい絞り部を有して構成され、
前記絞り部は、
前記絞り部の最狭部位の上流側に配置された傾斜面である上流側傾斜面と、
前記絞り部の最狭部位の下流側に配置された傾斜面である下流側傾斜面とを有して構成され、
前記キャビテーション発生部は、直列に隣接して配置された少なくとも２つの絞り部を有し、上流側に配置された上流絞り部の内径は、前記上流絞り部の下流側に配置された下流絞り部の内径よりも大きい、液中プラズマ装置。 - 前記下流側傾斜面の形状が正弦関数で表される請求項２又は３に記載の液中プラズマ装置。
- 前記キャビテーション発生部は、直列に隣接して配置された少なくとも２つの絞り部を有し、上流側に配置された上流絞り部において前記電圧印加部が前記液体に印加する電圧は、前記上流絞り部の下流側に配置された下流絞り部において前記電圧印加部が前記液体に印加する電圧よりも高い、請求項１又は３に記載の液中プラズマ装置。
- 前記キャビテーション発生部は、直列に隣接して配置された少なくとも２つの絞り部を有し、上流側に配置された上流絞り部の内径は、前記上流絞り部の下流側に配置された下流絞り部の内径よりも大きい、請求項１又は２に記載の液中プラズマ装置。
- 前記上流側傾斜面と前記下流側傾斜面とは、前記最狭部位に関して対称な形状である請求項１から６のいずれか１項に記載の液中プラズマ装置。
- 前記下流側傾斜面が、前記液体の流れの剥離が生じない形状とされている請求項１から７のいずれか１項に記載の液中プラズマ装置。
- 複数の前記管状流路部が並列に配置される請求項１から８のいずれか１項に記載の液中プラズマ装置。
- 遠心式の吸引ポンプ機構部を有し、前記管状流路部から流出した前記液体が前記吸引ポンプ機構部へ供給され、前記吸引ポンプ機構部から吐出された前記液体が前記管状流路部へ供給される請求項１から８のいずれか１項に記載の液中プラズマ装置。
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