JP6895636B2 - 液体処理装置 - Google Patents
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Description
本開示の一態様に係る液体処理装置は、液体を貯めるための筐体と、前記筐体内に少なくとも一部が配置される第1の電極、第2の電極及び第3の電極と、前記第1の電極と前記第2の電極との間に、前記第2の電極に対して前記第1の電極が実効的に正となる第1の電圧を印加する第1の電源と、前記第2の電極と前記第3の電極との間に、前記第2の電極に対して前記第3の電極が実効的に負となる第2の電圧を印加する第2の電源と、を備える。前記第1の電源は、前記第1の電極と前記第2の電極との間に前記第1の電圧を印加することによって、前記液体内に含まれる気泡内にプラズマを発生させる。
以下、図1〜図8を用いて、実施の形態1を説明する。
まず、本実施の形態に係る液体処理装置の構成について、図1及び図2を用いて説明する。
図1に示すように、例えば、被処理水109は筐体101内を上流側(矢印130)から下流側(矢印131)に向かって流れる。つまり、筐体101は、被処理水109の流路を形成する。筐体101内は、例えば、被処理水109で満たされている。具体的には、筐体101は、例えば、被処理水109が流れる配管などである。なお、被処理水109は、流水(動水)である必要はなく、静水でもよい。つまり、筐体101は、被処理水109を貯めるため空間を形成するのもであってもよい。
次に、液体処理装置100における、第1の電極102を含む電極ユニット150について説明する。電極ユニット150は、第1の電極102のみを有する簡単な構成であってもよい。また、電極ユニット150は、様々な構成を用いてもよい。例えば、電極ユニット150は、第1の電極102の周囲に絶縁体が配置されてもよい。以下では、第1の電極102を含む電極ユニット150の一例として、図2に示すように第1の電極102aの周囲に空間108を形成するように絶縁体106が配置された電極ユニット150aについて、説明する。
第1の電極102aは、筐体101内に少なくとも一部が配置される。第1の電極102aは、プラズマ112を生成するときの反応電極として機能する。前述したように、第1の電極102aは、金属電極部122と、金属固定部123とを備える。金属電極部122と金属固定部123とは、異なるサイズ又は異なる材料の金属から形成されてもよい。例えば、金属電極部122は、直径0.8mmの円柱形状を有し、材料はタングステン又はタングステン合金などの耐プラズマ性の金属材料から形成されてもよい。また、例えば、金属固定部123は、直径4mmの円柱形状を有し、材料はSUS材又は銅合金材から形成されてもよい。
絶縁体106は、第1の電極102aの金属電極部122の周囲に空間108を形成するように配置され、絶縁性を有する。空間108には、気体供給部105から気体110が供給され、この気体110によって金属電極部122が覆われる。したがって、放電を行う際、金属電極部122の外周面は、導電体が露出しているにもかかわらず、被処理水109に直接接触しないようになっている。絶縁体106は、例えば、内径1mmの円筒形状であってもよい。ただし、絶縁体106のサイズ、形状はこれに限定されるものではない。また、絶縁体106の中心軸と金属電極部122の中心軸とが一致するように配置されてもよい。つまり、空間108の中心軸と金属電極部122の中心軸とが一致するように配置されてもよい。これにより、気体供給部105から供給される気体110が空間108内に均一に供給される。
保持ブロック121は、第1の電極102aの金属固定部123、及び絶縁体106と接続されており、それぞれを保持する絶縁性の保持体の一例である。本実施の形態では、耐熱性の樹脂材料又はセラミックから構成される。例えば、ガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させた材料又はアルミナセラミックなどを用いることができる。保持ブロック121は、第1の電極102aとの接続部分、及び絶縁体106との接続部分において、被処理水109が漏れないように、シールする構造を有してもよい。例えば、保持ブロック121は、その内部に、第1の電極102aの金属固定部123をネジ止めするネジ部126を備えた構造としてもよい。なお、これに限定されるものではなく、任意の構造とすることができる。
本実施の形態における第1の電極102aは、図1に示すように、筐体101内を被処理水109が流れる方向(図1に示す矢印131の方向)に対して、第1の電極102aの長手方向が直交する方向となるように、配置される。図1に示す第1の電極102aの配置であれば、気泡111が第1の電極102aの周辺に滞留することを抑制することができる。気泡111は、例えば、気体供給部105から供給される気体110によって形成される。言い換えれば、図1に示されるように、第1の電極102aの長手方向は、筐体101内において、被処理水109が第2の電極103から第1の電極102aに向かって流れる方向と直交する方向に配置される。この配置により、気泡111が第1の電極102aの周辺に滞留することを抑制することができる。なお、第1の電極102aの長手方向と、被処理水109の流れる方向とは、ベクトルとして交わっていればよい。例えば、第1の電極102aの一端は、流路中に実際に突出していてもよいし、突出していなくてもよい。
第2の電極103は、筐体101内に少なくとも一部が配置される。第2の電極103は、プラズマ112を生成するときの第1の電極102aに対する対向電極として機能する。例えば、第2の電極103は、直径1mmの円柱状を有し、チタンを母材とし表面に白金膜を形成してもよい。なお、第2の電極103は、この形状、サイズには限定されない。第2の電極103の材質は、酸化されない材質であってもよい。酸化されない材質とは、例えば、白金、金、及び炭素などである。なお、第2の電極103の材質は、酸化されても電気伝導率が実質変化しない材質又は酸化されづらい材質であってもよい。
第3の電極1003は、筐体101内に少なくとも一部が配置される。第3の電極1003は、第2の電極103をクリーニングするときの第2の電極103に対する対向電極として機能する。例えば、第3の電極1003は、直径1mmの円柱状を有し、タングステンから形成されてもよい。なお、第3の電極1003は、この形状、サイズには限定されない。第3の電極1003の材質は、水素よりイオン化傾向の小さい材質であってもよい。さらに、第3の電極1003の材質は、酸化されない材質であってもよい。例えば、第2の電極103と同一の材質であってもよい。
第1の電源104は、第1の電極102aと第2の電極103との間に電圧を印加できるように接続される。第1の電源104は、第1の電極102aと第2の電極103とにパルス電圧又は交流電圧を印加する。電圧波形は、例えば、パルス状、正弦半波形、又は正弦波状のいずれであってもよい。また、第1の電源104は、パルス電圧を印加する際に正のパルス電圧と負のパルス電圧を交互に印加する、いわゆるバイポーラパルス電圧を印加してもよい。例えば、第1の電源104は、出力容量が80VAで、無負荷時のピーク電圧は10kVの電圧を印加してもよい。第2の電極103に対して第1の電極102aに印加される電圧が実効的に正となるように、第1の電極102aに印加される正の電圧のピーク値は負の電圧のピーク値よりも大きい。
第2の電源1004は、第2の電極103と第3の電極1003との間に電圧を印加できるように接続される。第2の電源1004は、第2の電極103と第3の電極1003との間に直流又は半波整流させた電圧を印加する。直流電圧とは、例えば、一定電圧である。また、半波整流させた電圧とは、例えば、極端なデューティ比の正弦波状の電圧又は矩形波状の電圧などである。例えば、第2の電源1004は、15Vで、100mAの電力供給を印加してもよい。第2の電源1004は、第2の電極と第3の電極との間に、第2の電極に対して前記第3の電極が実効的に負となる電圧を印加する。
気体供給部105は、第1の電極102aの金属固定部123に接続される。気体供給部105は、金属固定部123の内部の貫通孔125を介して空間108に気体110を供給する。供給される気体110は、例えば、空気、He、Ar又はO2等が用いられる。本実施の形態において、気体供給部105から供給される気体供給量は、特に制限されない。気体供給部105は、例えば、1リットル/minで気体を供給できるものであってもよい。気体供給部105は、例えば、ポンプ等を用いることができる。
制御部140は、例えば、マイコンなどであり、液体処理装置100の動作を制御する処理部である。制御部140は、第1の電源104及び第2の電源1004と接続されており、第1の電源104及び第2の電源1004が印加する電圧、並びに電圧を印加する及び電圧の印加を停止するタイミングを制御する。
次に、本実施の形態に係る液体処理装置100の動作について図3〜図8を用いて説明する。
まず、筐体101内に処理する被処理水109が供給される。ここで、被処理水109は、CaCO3(炭酸カルシウム)、MgCO3(炭酸マグネシウム)又はMg(OH)2(水酸化マグネシウム)をはじめとするCa又はMg化合物を含む一般の水道水を想定している。筐体101内に供給された被処理水109は、筐体101内を上流側(図1に示す矢印130)から下流側(図1に示す矢印131)へ流れる。
上記で説明したように、第1の電極102aと第2の電極103との間でプラズマ放電を行うと第2の電極103付近のpHが高くなり被処理水109内に溶解していた炭酸カルシウムなどが析出物として第2の電極103に析出する。
上記で説明したように、プラズマ放電のみを行う、つまり電極リフレッシュを行わないと、第2の電極103に析出物が析出し、安定してプラズマ放電を継続することができなくなる。そこで、第2の電極103に析出した析出物を除去する電極リフレッシュを行う。図5を用いて、プラズマ放電と電極リフレッシュとを行う場合における、本実施の形態に係る液体処理装置100の動作について説明する。図5は、本実施の形態に係る液体処理装置100における動作を示すフローチャートである。このフローチャートに従い、処理を行うことにより、第2の電極103に析出した析出物を除去し、第2の電極103を健全な状態に改善する。ここで、健全な状態とは、第2の電極103に析出物が析出していない、又は析出していても放電に支障のない程度であることを意味する。
以上のように、本実施の形態に係る液体処理装置100は、被処理水109を貯めるための筐体101と、筐体101内に少なくとも一部が配置される第1の電極102a、第2の電極103、及び第3の電極1003と、第1の電極102aと第2の電極103との間に電圧を印加する第1の電源104と、第2の電極103と第3の電極1003との間に電圧を印加する第2の電源1004と、を備え、第1の電源104は、第1の電極102aと第2の電極103との間に電圧を印加することによって、被処理水109内に含まれる気泡111内で放電させて、プラズマ112を発生させる。
以下、図9を用いて、実施の形態2を説明する。
本実施の形態に係る液体処理装置について説明する。本実施の形態では実施の形態1と異なる部分のみを説明し、実施の形態1と同一の部分については説明を省略する。図9は、本実施の形態に係る液体処理装置の電極ユニット150bの構成の一例を示す断面図である。図9に示すように、本実施の形態の電極ユニット150bは、第1の電極102bを覆うように配置された絶縁体206を備える。本実施の形態は、実施の形態1と比べて、第1の電極102bの形状、及び絶縁体206の配置が異なる。本実施の形態のその他の構成は、実施の形態1と同じである。以下、本実施の形態の電極ユニット150bについて説明する。
図9に示すように、本実施の形態の電極ユニット150bは、第1の電極102bと、絶縁体206とを備える。第1の電極102bは、中空の筒状の金属材料から形成される。第1の電極102bは、例えば、内径が0.4mmであり、外径が0.6mmであってもよい。第1の電極102bは、内部に気体110が供給される空間208を有する。
本実施の形態に係る液体処理装置の動作について説明する。なお、実施の形態1と異なる部分のみを説明し、実施の形態1と同一の部分については説明を省略する。図5において、実施の形態1と異なるのは、ステップS1の放電工程であり、ステップS2〜S4は実施の形態1と同じである。以下、本実施の形態の放電工程について説明する。
本実施の形態に係る液体処理装置は、第1の電極102bを備える電極ユニット150b、及び、第1の電極102bの中空部分の空間208に気体110を供給する気体供給部105を備える。これにより、本実施の形態に係る液体処理装置は、気体供給部105から供給された気体110により、絶縁体206の開口部207から気泡111を発生させることができる。そして、本実施の形態に係る液体処理装置は、被処理水109内に含まれる気泡111内で放電を起こし、プラズマ112を発生させることにより、OHラジカル等を生成することができる。したがって、本実施の形態においても気泡111内に効率良くプラズマ112を発生させることができ、短時間で被処理水109の水処理を行うことができる。
以下、図10を用いて、実施の形態3を説明する。
本実施の形態に係る液体処理装置について説明する。本実施の形態では実施の形態1と異なる部分のみを説明し、実施の形態1と同一の部分については説明を省略する。図10は、本実施の形態に係る液体処理装置の電極ユニット150cの構成の一例を示す断面図である。図10に示すように、本実施の形態の電極ユニット150cは、第1の電極102c、保持ブロック321及び絶縁体306を備える。本実施の形態は、実施の形態1と比べて、第1の電極102c及び絶縁体306の形状、並びに図示していないが気体供給部105を有していない点が異なる。本実施の形態のその他の構成は、実施の形態1と同じである。以下、本実施の形態の電極ユニット150cについて説明する。
図10に示すように、第1の電極102cは、金属電極部322と、金属固定部323とを備える。金属電極部322は、例えば直径2mmの円柱状を有する。なお、金属電極部322の直径及び形状は、これに限定されない。
絶縁体306は、第1の電極102cの金属電極部322の周囲に空間308を形成するように配置され、絶縁性を有する。絶縁体306は、例えば、内径3mmで外径が5mmの円筒形状を有する。ただし、絶縁体306のサイズ及び形状は、これに限定されない。また、絶縁体306の中心軸と金属電極部122の中心軸とが一致するように配置されてもよい。つまり、空間308の中心軸と金属電極部322の中心軸とが一致するように配置されてもよい。
本実施の形態に係る液体処理装置の動作について説明する。なお、実施の形態1と異なる部分のみを説明し、実施の形態1と同一の部分については説明を省略する。図5において、実施の形態1と異なるのは、ステップS1の放電工程であり、ステップS2〜S4は実施の形態1と同じである。以下、本実施の形態の放電工程について説明する。
本実施の形態に係る液体処理装置は、第1の電極102cと絶縁体306とを備える電極ユニット150c、制御部140及び第1の電源104を有する。これにより、第1の電極102cと絶縁体306とで形成された空間308が被処理水109で満たされている状態で、制御部140は第1の電源104を制御し、第1の電極102cと第2の電極103との間に電圧を印加させる。そして、電圧が印加された被処理水109を気化させることで気泡111を生成する。つまり、第1の電源104は、第1の電極102cと第2の電極103との間に電圧を印加することによって被処理水109を気化させて気泡111を生成する。
以下、図11を用いて、実施の形態4を説明する。
本実施の形態では実施の形態1と異なる部分のみを説明し、実施の形態1と同一の部分については説明を省略する。図11は、本実施の形態に係る液体処理装置200の全体構成の一例を示す概略図である。図11に示すように、本実施の形態に係る液体処理装置200は、筐体401、第1の電極102dと保持ブロック421と絶縁体406とを有する電極ユニット150d、及び第2の電極103dを備える。本実施の形態は、実施の形態1と比べて、筐体401、電極ユニット150d及び第2の電極103dの形状及び配置が異なる。また、気体供給部105を有していない点も異なる。本実施の形態のその他の構成は、実施の形態1と同じである。以下、本実施の形態に係る液体処理装置200について説明する。
図11に示すように、例えば、被処理水109は筐体401内を上流側(矢印130)から下流側(矢印131)に向かって流れる。つまり、筐体401は、被処理水109の流路を形成する。筐体401内は、例えば、被処理水109で満たされている。具体的には、筐体401は、例えば、被処理水109が流れる配管などである。なお、被処理水109は、流水(動水)である必要はなく、静水でもよい。つまり、筐体401は、被処理水を貯めるため空間を形成するのもであってもよい。
次に、液体処理装置200における、第1の電極102dを含む電極ユニット150dについて説明する。図11に示す電極ユニット150dは、第1の電極102dと、絶縁体406と、保持ブロック421とを備える。
第1の電極102dは、プラズマ112を生成するときの反応電極として機能する。第1の電極102dは、保持ブロック421によって保持された、例えば、円柱状の電極である。例えば、第1の電極102dの径は1mmである。なお、第1の電極102dの形状及び径は、これに限定されない。例えば、第1の電極102dの形状は、角柱状、球状又は円錐状などでもよい。
絶縁体406は、第1の電極102aと被処理水109が流れる筐体101内の空間との間に配置された絶縁性を有する板材である。つまり、絶縁体406の一面は、被処理水109に接している(以降、被処理水109に接する絶縁体406の面を主面とする)。例えば、厚さが0.3mm、縦及び横がそれぞれ3cmの略矩形の平板である。なお、絶縁体406の形状及び厚みは、これに限定されない。
保持ブロック421は、第1の電極102dと接続されており、第1の電極102dを保持する絶縁性の保持体の一例である。保持ブロック421は、例えば、略矩形の平板である。なお、保持ブロック421の形状は、これに限らず、円板、楕円板などいかなるものでもよい。また、保持ブロック421は、平板に限らず、湾曲した板でもよい。
第2の電極103dはプラズマを生成するときの第1の電極102dに対する対向電極として機能する。第2の電極103dは、被処理水109が流れる筐体401内の空間に配置される。第2の電極103dは、筐体401内の空間に入れられた被処理水109と接触する位置に配置される。本実施の形態では、第2の電極103dは、絶縁体406の主面に、絶縁体406と接触して配置される。
本実施の形態に係る液体処理装置200の動作について説明する。なお、実施の形態1と異なる部分のみを説明し、実施の形態1と同一の部分については説明を省略する。図5において、実施の形態1と異なるのは、ステップS1の放電工程であり、ステップS2〜S4は実施の形態1と同じである。以下、本実施の形態の放電工程について説明する。
本実施の形態に係る液体処理装置200は、第1の電極102dと絶縁体406とを有する電極ユニット150d、及び第2の電極103dを備える。これにより、本実施の形態に係る液体処理装置200は、第1の電極102dに被処理水109が接している状態で、第1の電極102dと第2の電極103dとの間に電圧を印加し被処理水109を気化させる。そして、被処理水109が気化することで発生した気体は、絶縁体406が有する開口部407内に気泡111を生成する。つまり、第1の電源104は、第1の電極102dと第2の電極103dとの間に電圧を印加することによって被処理水109を気化させて気泡111を生成する。これにより、実施の形態3と同様の効果を奏する。
以上、1つ又は複数の態様に係る液体処理装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本開示の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したもの及び異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本開示の範囲内に含まれる。
101、401 筐体
102、102a、102b、102c、102d 第1の電極
103、103d 第2の電極
104 第1の電源
105 気体供給部
106、206、306、406 絶縁体
107、207、307、407 開口部
108、208、308 空間
109 被処理水
110 気体
111 気泡
112 プラズマ
121、321、421 保持ブロック
122、322 金属電極部
123、323 金属固定部
124 ネジ部
125 貫通孔
126 ネジ部
150、150a、150b、150c、150d 電極ユニット
1003 第3の電極
1004 第2の電源
Claims (7)
- 液体を貯めるための筐体と、
第1の電極と、
第2の電極と、
第3の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に、前記第2の電極に対して前記第1の電極が実効的に正となる第1の電圧を印加する第1の電源と、
前記第2の電極と前記第3の電極との間に、前記第2の電極に対して前記第3の電極が実効的に負となる第2の電圧を印加する第2の電源と、を備え、
前記第1の電源は、前記第1の電極と前記第2の電極との間に前記第1の電圧を印加することによって、前記液体内に含まれる気泡内にプラズマを発生させ、
前記筐体と、絶縁体とにより、前記液体が流れる流路が形成され、
前記絶縁体は、前記液体と接する第1の面、及び、前記第1の面と反対側の第2の面を有し、
前記絶縁体には、前記液体が浸入可能な開口部が形成されており、
前記第1の電極の端面の一部は、前記第2の面側において前記開口部と接しており、前記開口部を介して前記液体と接し、
前記第2の電極は、前記絶縁体の前記第1の面に設けられ、平面視において、前記開口部を囲む形状を有する、
液体処理装置。 - 前記第2の電極は、酸化されない材質で構成されている、
請求項1に記載の液体処理装置。 - 前記第3の電極は、水素よりイオン化傾向の小さい材質で構成されている、
請求項1又は2に記載の液体処理装置。 - 前記第2の電源は、直流電源である、
請求項1から3のいずれかに記載の液体処理装置。 - 前記第2の電源は、半波整流電源である、
請求項1から3のいずれかに記載の液体処理装置。 - 前記気泡は、前記第1の電極と前記第2の電極との間に前記第1の電圧が印加されることにより前記液体が気化することによって発生する、
請求項1から5のいずれかに記載の液体処理装置。 - さらに、制御部を備え、
前記制御部は、
前記第1の電源に、前記第1の電極と前記第2の電極との間に前記第1の電圧を印加させることによって、前記気泡内にプラズマを発生させ、
前記プラズマを発生させた後に、前記第2の電源に、前記第2の電極と前記第3の電極との間に前記第2の電圧を印加させることによって、前記第2の電極をクリーニングさせる、
請求項1から6のいずれかに記載の液体処理装置。
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