WO2024095447A1 - 噴霧装置及び噴霧方法 - Google Patents

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WO2024095447A1
WO2024095447A1 PCT/JP2022/041159 JP2022041159W WO2024095447A1 WO 2024095447 A1 WO2024095447 A1 WO 2024095447A1 JP 2022041159 W JP2022041159 W JP 2022041159W WO 2024095447 A1 WO2024095447 A1 WO 2024095447A1
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dielectric material
plasma
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mist
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PCT/JP2022/041159
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渉太 佐々木
俊郎 金子
清太郎 北川
高志 丸子
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ナルックス株式会社
国立大学法人東北大学
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Definitions

  • the present invention relates to a spraying device and a spraying method.
  • Patent Document 1 A spraying device and method have been developed that produces peroxynitrite (HOONO), which has germicidal properties, by plasma activating a mist generated from a liquid whose main component is water (for example, Patent Document 1).
  • Figure 7 of Patent Document 1 discloses the plasma activation section of the spraying device, which is a plasma mist generator.
  • the plasma activation section is configured to plasma activate a mist containing microdroplets and air supplied to the inside of the tube by applying a high-frequency voltage between a rod-shaped internal electrode placed inside the tube and an external electrode placed outside the tube, thereby producing peroxynitrite (HOONO).
  • the object of the present invention is to provide a spraying device and a spraying method capable of producing peroxynitrite (HOONO) at a sufficiently high production rate.
  • HOONO peroxynitrite
  • the spray device of the first aspect of the present invention comprises a mist generating section and a plasma activation section.
  • the plasma activation section comprises a tube of dielectric material, an external electrode installed on the outer surface of the tube of dielectric material, an internal electrode installed on the inner surface of the tube of dielectric material, and a high-frequency power source that applies a high-frequency voltage to the external electrode and the internal electrode, and the external electrode and the internal electrode are configured so that they do not overlap or only partially overlap in the axial direction of the tube of dielectric material, and the mist sent from the mist generating section to one end of the tube of dielectric material passes through the tube of dielectric material, and is then plasma-activated and sent out from the other side of the tube of dielectric material.
  • the plasma activation section of the spray device of this embodiment can reduce the amount of mist that adheres to the inner surface of the dielectric material tube compared to plasma activation sections of conventional structure, and can emit a larger amount of plasma-activated mist.
  • the plasma activation section of the spray device of this embodiment can generate the active species required for generating HOONO, which has various functions such as sterilization, virus killing, and deodorization, in an appropriate ratio, so the generation rate of HOONO can be increased compared to plasma activation sections of conventional structure.
  • the spray device of the first embodiment of the first aspect of the present invention is configured such that the outer electrode and the inner electrode are partially overlapped in the axial direction of the tube of dielectric material.
  • the axial positions of both electrodes are configured to partially overlap, making it easier for discharge to occur between the two electrodes.
  • the frequency of the high frequency power source is in the range of 1 kilohertz to 100 kilohertz, and the peak-to-peak value of the voltage is in the range of 1 kilovolt to 30 kilovolts.
  • the mist generating section is configured to generate droplets having a diameter of 0.5 micrometers to 30 micrometers.
  • the diameter of the tube of dielectric material is in the range of 0.5 millimeters to 20 millimeters.
  • the internal electrode is a tube inside the tube of dielectric material.
  • the second aspect of the spraying method of the present invention generates a plasma-activated mist from a liquid mainly composed of water using the above-mentioned spraying device.
  • the spraying method of this embodiment it is possible to reduce the amount of mist that adheres to the inner surface of the dielectric material tube, and to emit a larger amount of plasma-activated mist, compared to spraying methods that use plasma activation units of conventional structures. Furthermore, according to the spraying method of this embodiment, it is possible to generate the active species required for generating HOONO, which has sterilizing properties, in an appropriate ratio, and therefore it is possible to increase the generation rate of HOONO, which has sterilizing properties, compared to spraying methods that use plasma activation units of conventional structures.
  • the liquid is an aqueous solution containing nitrite or nitrite ions.
  • the rate at which peroxynitrite (HOONO), which has sterilizing properties, is produced can be increased compared to when the liquid is water.
  • the liquid contains sodium nitrite and the molar concentration of the sodium nitrite is in the range of 1 micromolar to 100 millimolar.
  • FIG. 1 is a diagram showing a spray device according to one embodiment of the present invention.
  • 2 is a diagram showing an example of the structure of a plasma activation unit according to the present embodiment;
  • FIG. FIG. 1 is a diagram showing an example of the structure of a conventional plasma activation unit.
  • 4 is a graph showing the amount of mist emitted by the plasma active portion of the surface DBD structure shown in FIG. 2 and the plasma active portion of the volume DBD structure shown in FIG. 3 .
  • FIG. 1 shows the structure of the plasma active part of the surface DBD structure used to measure the generation rate of peroxynitrite (HOONO).
  • HOONO peroxynitrite
  • FIG. 13 is a diagram showing the generation rate of peroxynitrite (HOONO) by the plasma active portion of the surface DBD structure and the plasma active portion of the volume DBD structure.
  • FIG. 13 is a diagram showing the concentrations of hydrogen peroxide, nitrous acid, nitrate ions, and nitrite ions generated by the plasma active portion of the surface DBD structure.
  • FIG. 9 shows the nitrous acid concentrations of FIG. 7 and FIG. 8 on an enlarged scale.
  • FIG. 13 is a diagram showing the concentrations of hydrogen peroxide, nitrous acid, nitrate ions, and nitrite ions generated by the plasma active portion of the surface DBD structure when an aqueous solution of sodium nitrite is used.
  • FIG. 13 is a diagram showing the rate of generation of peroxynitrite (HOONO) by the plasma-active portion of the surface DBD structure when an aqueous solution of sodium nitrite is used.
  • FIG. 13 is a graph showing the change in concentration of active species over time obtained by simulation when the concentration of sodium nitrite in an aqueous solution is 1200 micromolar.
  • FIG. 13 is a graph showing the change in concentration of active species over time obtained by simulation when the concentration of sodium nitrite in an aqueous solution is 2000 micromolar.
  • FIG. 13 is a graph showing the change in concentration of peroxynitrite (HOONO) over time obtained by simulation when the concentration of sodium nitrite in the aqueous solution is 1200 micromolar and 2000 micromolar.
  • HOONO peroxynitrite
  • the spray device which is a plasma mist generator, comprises a mist generating unit 100 and a plasma activating unit 200.
  • the mist generating unit 100 may be a unit that converts a liquid containing water as a main component stored in a tank into mist using an ultrasonic vibrator.
  • the ultrasonic vibrator is, for example, an ultrasonic humidification unit NB-80E-01-H manufactured by TDK Corporation.
  • the diameter of the mist droplets is 0.5 to 30 micrometers.
  • the plasma activating unit 200 is tubular and comprises a tubular external electrode 220 installed outside the tube 210, a tubular internal electrode 230 installed inside the tube 210, and a high-frequency power source 240.
  • the tubular internal electrode 230 protrudes from the upper end of the tube 210.
  • the material of the tube 210 is a dielectric.
  • the high-frequency power source 240 is connected so as to apply a high-frequency voltage between the external electrode 220 and the internal electrode 230.
  • the terminal of the high-frequency power source 240 connected to the internal electrode 230 is grounded.
  • the frequency of the RF power source 240 ranges from 1 kHz to 100 kHz, and preferably from 5 kHz to 30 kHz.
  • the peak-to-peak voltage of the RF power source 240 ranges from 1 kilovolt to 30 kilovolts.
  • the mist generated by the mist generating section 100 is sent to the plasma activation section 200 from the lower end of the tube 210 shown in FIG. 1.
  • the flow rate of the mist is preferably in the range of 0.01 microliters per second ( ⁇ L/s) to 1000 microliters per second ( ⁇ L/s).
  • the mist is plasma-activated by applying a high-frequency voltage between the external electrode 220 and the internal electrode 230 by the high-frequency power supply 240, and is emitted as plasma-activated mist 300 from the tip of the tubular internal electrode 230 protruding from the upper end of the tube 210.
  • the axial length of the tube 210 is 34 millimeters, the tube diameter is 3.9 millimeters, and the tube thickness is 0.7 millimeters.
  • the diameter of the dielectric material tube is preferably in the range of 2 millimeters to 10 millimeters.
  • the material of the tube 210 is quartz glass.
  • the external electrode 220 installed on the outside of the tube 210 is a conductive copper foil adhesive tape that covers the outer circumference of the tube 210.
  • the width (axial length) of the conductive copper foil adhesive tape is 20 millimeters, and the thickness is 0.7 millimeters.
  • the position of the upper end of the external electrode 220 is 12 millimeters below the position of the upper end of the tube 210.
  • the tubular internal electrode 230 installed inside the tube 210 is a stainless steel tube.
  • the axial length of the stainless steel tube is 20 millimeters, the outer diameter is 2.41 millimeters, and the wall thickness is 0.21 millimeters.
  • the length of the axial overlapping portion of the external electrode 220 and the internal electrode 230 is 3 millimeters.
  • the internal electrode 230 protrudes from the upper end of the tube 210, and the axial length of the protruding portion is 5 millimeters.
  • the plasma-activated mist 300 is generated along the inner surface of the tube 210 below the lower end of the internal electrode 230, in a portion of the region adjacent to the lower end where the external electrode 2210 is present on the outer surface of the tube 210.
  • the external electrode and the internal electrode are positioned at different positions in the axial direction of the tube.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the structure of a conventional plasma activation unit.
  • the dimensions and materials of the tube 210 and the tubular external electrode 220 installed outside the tube 210 are the same as those of the above example.
  • the position of the upper end of the external electrode 220 is 12 millimeters below the position of the upper end of the tube 210.
  • the internal electrode 235 is rod-shaped, with a length of 100 millimeters and a diameter of 0.9 millimeters.
  • the material of the internal electrode 235 is tungsten.
  • the internal electrode 235 is placed at the central axis of the tube 210.
  • the plasma-activated mist 300 is generated in the space inside the tube 210 in a region where the axial positions of the external electrode 220 and the internal electrode 235 overlap.
  • the plasma activation unit shown in Figures 2 and 3 forms plasma by dielectric barrier discharge.
  • the structure of the plasma activation unit 200 of the present invention shown in Figure 2 is referred to as a surface dielectric barrier discharge structure (surface DBD structure)
  • the structure of the plasma activation unit shown in Figure 3 is referred to as a volume dielectric barrier discharge structure (volume DBD structure).
  • Figure 4 is a graph showing the amount of mist emitted by the plasma active part of the surface DBD structure shown in Figure 2 and the plasma active part of the volume DBD structure shown in Figure 3.
  • the frequency of the high frequency power supply 240 is 9 kilohertz, and the peak-to-peak value of the voltage is 18 kilovolts.
  • the amount of mist emitted was measured by attaching the mist emitted from the plasma active part to a glass plate.
  • the amount of mist emitted by the plasma active part of the surface DBD structure is about 1.7 microliters per second ( ⁇ L/s)
  • the amount of mist emitted by the plasma active part of the volume DBD structure is about 0.5 microliters per second ( ⁇ L/s).
  • the reason why the amount of mist emitted by the plasma active part of the surface DBD structure is greater than that of the plasma active part of the volume DBD structure is presumably because, in the volume DBD structure, the strong electric field required for plasma generation is applied to the entire cross section of the tube, making it easier for the charged mist to adhere to the wall surface. Therefore, from the standpoint of mist emission volume, the plasma active part with the surface DBD structure of the present invention is more preferable than the plasma active part with the conventional volume DBD structure.
  • HOONO has bactericidal ability, and it is known that there is a clear correlation between this bactericidal ability and the rate at which HOONO is produced.
  • HOONO can be produced continuously from hydrogen peroxide and nitrous acid, and it is known that hydrogen peroxide and nitrous acid can be produced by plasma activating tiny water droplets, or mist, flying through the air.
  • Figure 5 shows the structure of the plasma active part of the surface DBD structure used to measure the generation rate of peroxynitrite (HOONO).
  • the axial length of the tube 210 is 34 millimeters, the tube diameter is 3.9 millimeters, and the wall thickness is 0.7 millimeters.
  • the material of the tube 210 is quartz glass.
  • the external electrode 220 installed on the outside of the tube 210 is a conductive copper foil adhesive tape.
  • the width (axial length) of the conductive copper foil adhesive tape is 20 millimeters, and the thickness is 0.7 millimeters.
  • the position of the upper end of the external electrode 220 is 12 millimeters below the position of the upper end of the tube 210.
  • the tubular internal electrode 230 installed inside the tube 210 is a stainless steel tube.
  • the axial length of the stainless steel tube is 18.5 millimeters, the outer diameter is 2.41 millimeters, and the wall thickness is 0.21 millimeters.
  • the length of the axial overlapping portion of the external electrode 220 and the internal electrode 230 is 1.5 millimeters.
  • the internal electrode 230 protrudes from the upper end of the tube 210, and the axial length of the protruding portion is 5 millimeters.
  • the plasma-activated mist 300 is generated along the inner surface of the tube 210 below the lower end of the internal electrode 230, in a portion of the region adjacent to the lower end where the external electrode 2210 is present on the outer surface of the tube 210.
  • the plasma active part of the volume DBD structure used to measure the generation rate of peroxynitrite (HOONO) is shown in Figure 3.
  • Figure 6 shows the generation rate of HOONO by the plasma active part of the surface DBD structure and the plasma active part of the volume DBD structure.
  • the horizontal axis of Figure 6 shows the peak-to-peak value of the voltage applied between the two electrodes.
  • the unit of voltage is kilovolts.
  • the vertical axis of Figure 6 shows the generation rate of HOONO.
  • the unit of the generation rate of HOONO is micromolar per second ( ⁇ M/s). Molar, represented by M, is the number of moles per liter. The method for measuring the generation rate of HOONO will be explained later.
  • the generation rate of HOONO by the plasma active part of the surface DBD structure when the peak-to-peak voltage is 18 kV is approximately 3 micromolar per second ( ⁇ M/s), whereas the generation rate of HOONO by the plasma active part of the volume DBD structure when the peak-to-peak voltage is 18 kV is zero. Therefore, from the viewpoint of the generation rate of HOONO, the plasma active part of the surface DBD structure of the present invention is more preferable than the plasma active part of the conventional volume DBD structure.
  • Peroxynitrite is produced according to the following reaction formula (1).
  • the active species on the left side of reaction (1) namely hydrogen peroxide, nitrous acid, and hydrogen ions is generated by the plasma-activated mist and remains for a long time, producing HOONO, which has a half-life of typically about 1 second and is converted to nitrate ions. and nitrite ion Decomposed into hydrogen peroxide Production continues until it is exhausted.
  • Figure 7 shows the concentrations of hydrogen peroxide, nitrate ions, nitrous acid, and nitrite ions generated by the plasma activation part of the surface DBD structure.
  • the horizontal axis of Figure 7 shows the peak-to-peak value of the voltage applied between the two electrodes.
  • the unit of voltage is kilovolts.
  • the vertical axis of Figure 7 shows the concentration of active species.
  • the unit of concentration is millimolar.
  • the concentration of active species was determined by measuring droplets collected from the mist using a glass plate or the like, using absorptiometry with an ultra-microcell.
  • Figure 8 shows the concentrations of hydrogen peroxide, nitrate ions, nitrous acid, and nitrite ions generated by the plasma active portion of the volume DBD structure.
  • the horizontal axis of Figure 8 shows the peak-to-peak value of the voltage applied between the two electrodes. The voltage is measured in kilovolts.
  • the vertical axis of Figure 8 shows the concentration of active species. The concentration is measured in millimolar. Note that the scale range of the vertical axis of Figure 8 is larger than that of Figure 7.
  • the hydrogen peroxide concentration when the peak-to-peak voltage in Figure 8 is 18 kV is approximately 6 millimolar, and when the peak-to-peak voltage in Figure 7 is 18 kV is approximately 1.3 millimolar.
  • the hydrogen peroxide concentration in the volume DBD structure in Figure 8 is approximately five times that in the surface DBD structure in Figure 7.
  • Figure 9 shows the nitrite concentration in Figure 7 and the nitrite concentration in Figure 8 on an enlarged scale.
  • the horizontal axis of Figure 9 shows the peak-to-peak value of the voltage applied between the two electrodes.
  • the unit of voltage is kilovolts.
  • the vertical axis of Figure 9 shows the nitrite concentration.
  • the unit of concentration is micromolar. According to Figure 9, when the peak-to-peak value of the voltage is 18 kV, the concentration of nitrite generated by the plasma active part of the surface DBD structure is about 170 micromolar, but when the peak-to-peak value of the voltage is 18 kV, the concentration of nitrite generated by the plasma active part of the volume DBD structure is zero. Note that the detection limit of nitrite concentration is 10 micromolar, so the concentration of nitrite generated by the plasma active part of the DBD structure is less than 10 micromolar.
  • Figure 10 shows the concentrations of hydrogen peroxide, nitrous acid, nitrate ions, and nitrite ions generated by the plasma active part of the surface DBD structure when an aqueous solution of sodium nitrite is used.
  • the horizontal axis of Figure 10 shows the concentration of sodium nitrite in the aqueous solution.
  • the unit of concentration is micromolar.
  • the vertical axis of Figure 10 shows the concentration of active species.
  • the unit of concentration is millimolar.
  • the peak-to-peak value of the voltage applied between the two electrodes is 16.3 kilovolts.
  • Figure 11 shows the generation rate of HOONO by the plasma active part of the surface DBD structure when an aqueous solution of sodium nitrite is used.
  • the horizontal axis of Figure 11 shows the concentration of sodium nitrite in the aqueous solution.
  • the unit of concentration is micromolar.
  • the vertical axis of Figure 11 shows the generation rate of HOONO.
  • the unit of generation rate is micromolar per second ( ⁇ M/s).
  • the method for calculating the production rate of peroxynitrite is explained below. From reaction formula (1), the production rate of peroxynitrite (HOONO) can be expressed by the following formula (2). k is the reaction rate constant and the following value was used: The rate of formation of peroxynitrite (HOONO) was calculated by substituting the concentration of the active species measured by the above-mentioned method into equation (2).
  • the rate of production of peroxynitrite increases with the concentration of sodium nitrite in the aqueous solution.
  • concentration of sodium nitrite in the aqueous solution it is preferable for the concentration of sodium nitrite in the aqueous solution to be in the range of 1 micromolar to 100 millimolar.
  • the simulation was a zero-order chemical reaction simulation, using multiple non-equilibrium and equilibrium reaction equations related to the reactions, and the change in concentration of active species and peroxynitrite (HOONO) over time was obtained by an implicit method using the Newton-Raphson method.
  • Figure 12 shows the change in active species concentration over time obtained by simulation when the concentration of sodium nitrite in the aqueous solution is 1200 micromolar.
  • the horizontal axis of Figure 12 indicates time. The unit of time is seconds.
  • the vertical axis of Figure 12 indicates the active species concentration. The unit of concentration is micromolar.
  • the data shown in Figure 10 was used as the initial value of the active species concentration.
  • Figure 13 shows the change in active species concentration over time obtained by simulation when the concentration of sodium nitrite in the aqueous solution is 2000 micromolar.
  • the horizontal axis of Figure 13 indicates time. The unit of time is seconds.
  • the vertical axis of Figure 13 indicates the active species concentration. The unit of concentration is micromolar.
  • the data shown in Figure 10 was used as the initial value of the active species concentration.
  • Figure 14 shows the change in concentration of peroxynitrite (HOONO) over time obtained by simulation when the concentration of sodium nitrite in the aqueous solution is 1200 micromolar and 2000 micromolar.
  • the horizontal axis of Figure 14 indicates time. The unit of time is seconds.
  • the vertical axis of Figure 14 indicates the concentration of peroxynitrite (HOONO). The unit of concentration is micromolar.
  • the concentration of peroxynitrite is maintained at 0.5 micromolar or more for 300 seconds or more when the concentration of sodium nitrite in the aqueous solution is 1200 micromolar and when the concentration of sodium nitrite in the aqueous solution is 2000 micromolar.
  • the initial value of the concentration of peroxynitrite (HOONO) is greater when the concentration of sodium nitrite in the aqueous solution is 1200 micromolar than when the concentration of sodium nitrite in the aqueous solution is 2000 micromolar.
  • the rate of decrease in the concentration of peroxynitrite is also greater when the concentration of sodium nitrite in the aqueous solution is 1200 micromolar than when the concentration of sodium nitrite in the aqueous solution is 2000 micromolar.
  • the concentration of sodium nitrite in the aqueous solution is 1200 micromolar
  • the initial concentration of HOONO is high, making it more suitable for applications such as hand sanitizers
  • the concentration of sodium nitrite is 2000 micromolar
  • the concentration of HOONO is maintained for a relatively long period of time, making it more suitable for indoor spraying.
  • sodium nitrite was added to the liquid used to generate the mist in order to increase the concentration of HOONO.
  • concentration of HOONO can be increased by adding nitrite or nitrite ions to the liquid used to generate the mist.

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Abstract

噴霧装置はミスト発生部とプラズマ活性部とを備える。該プラズマ活性部は誘電体材料の管と、該誘電体材料の管の外面に設置された外部電極と、該誘電体材料の管の内面に設置された内部電極と、該外部電極及び該内部電極に高周波電圧を加える高周波電源とを備え、該外部電極及び該内部電極の該誘電体材料の管の軸方向の位置は、重ならないか部分的にのみ重なるように構成されており、該ミスト発生部から該誘電体材料の管の一方の端部に送り込まれたたミストが該誘電体材料の管を通過した後に該誘電体材料の管の他方の側からプラズマ活性化されて送り出されるように構成されている。

Description

噴霧装置及び噴霧方法
　本発明は噴霧装置及び噴霧方法に関する。
　水を主成分とする液体から発生させたミストをプラズマ活性化することによって殺菌能を有する過酸化亜硝酸（HOONO）を生成する噴霧装置及び噴霧方法が開発されている（たとえば、特許文献１）。特許文献１の図７は、プラズマミスト生成器である噴霧装置のプラズマ活性部を開示している。上記のプラズマ活性部は、管の内部に配置された棒状の内部電極と管の外部に配置された外部電極との間に高周波電圧をかけることによって管の内部に供給された微小液滴及び空気を含むミストをプラズマ活性化して過酸化亜硝酸（HOONO）を生成するように構成されている。
　しかし、上記のプラズマ活性部によって生成される過酸化亜硝酸（HOONO）の生成速度は十分ではない。
　そこで、十分に高い生成速度で過酸化亜硝酸（HOONO）を生成することのできる噴霧装置及び噴霧方法に対するニーズがある。
WO2014/145570
　本発明の課題は、十分に高い生成速度で過酸化亜硝酸（HOONO）を生成することのできる噴霧装置及び噴霧方法を提供することである。
　本発明の第１の態様の噴霧装置はミスト発生部とプラズマ活性部とを備える。プラズマ活性部は誘電体材料の管と、該誘電体材料の管の外面に設置された外部電極と、該誘電体材料の管の内面に設置された内部電極と、該外部電極及び該内部電極に高周波電圧を加える高周波電源とを備え、該外部電極及び該内部電極の該誘電体材料の管の軸方向の位置は、重ならないか部分的にのみ重なるように構成されており、該ミスト発生部から該誘電体材料の管の一方の端部に送り込まれたたミストが該誘電体材料の管を通過した後に該誘電体材料の管の他方の側からプラズマ活性化されて送り出されるように構成されている。
　本態様の噴霧装置のプラズマ活性部によれば、従来の構造のプラズマ活性部と比較して誘電体材料の管の内面に付着するミストを減少させることができ、より多くのプラズマ活性化されたミストを放出することができる。また、本態様の噴霧装置のプラズマ活性部によれば、殺菌・殺ウィルス・消臭など様々な機能を有する過酸化亜硝酸（HOONO）の生成に必要な活性種を適切な比率で生成させることができるので、従来の構造のプラズマ活性部と比較して過酸化亜硝酸（HOONO）の生成速度を増加させることができる。
　本発明の第１の態様の第１の実施形態の噴霧装置は、該外部電極及び該内部電極の該誘電体材料の管の軸方向の位置が部分的に重なるように構成されている。
　本実施形態によれば、両電極の軸方向の位置が部分的に重なるように構成することによって両電極間の放電が生じやすくなる。
　本発明の第１の態様の第２の実施形態の噴霧装置において、該高周波電源の周波数が1キロ・ヘルツから100キロ・ヘルツの範囲であり、電圧のピークピーク値の範囲が1キロ・ボルトから30キロ・ボルトの範囲である。
　本発明の第１の態様の第３の実施形態の噴霧装置において、該ミスト発生部が0.5マイクロ・メータから30マイクロ・メータの径の液滴を生成するように構成されている。
　本発明の第１の態様の第４の実施形態の噴霧装置において、該誘電体材料の管の径が0.5ミリメータから20ミリメータの範囲である。
　本発明の第１の態様の第５の実施形態の噴霧装置において、該内部電極が該誘電体材料の管の内側の管である。
　本発明の第２の態様の噴霧方法は、水を主成分とする液体から上記の噴霧装置によってプラズマ活性化されたミストを生成する。
　本態様の噴霧方法によれば、従来の構造のプラズマ活性部を使用する噴霧方法と比較して誘電体材料の管の内面に付着するミストを減少させることができ、より多くのプラズマ活性化されたミストを放出することができる。また、本態様の噴霧方法によれば、殺菌能を有する過酸化亜硝酸（HOONO）の生成に必要な活性種を適切な比率で生成させることができるので、従来の構造のプラズマ活性部を使用する噴霧方法と比較して殺菌能を有する過酸化亜硝酸（HOONO）の生成速度を増加させることができる。
　本発明の第２の態様の第１の実施形態の噴霧方法において、該液体が亜硝酸または亜硝酸イオンを含む水溶液である。
　本実施形態によれば、該液体が水である場合と比較して、殺菌能を有する過酸化亜硝酸（HOONO）の生成速度を増加させることができる。
　本発明の第２の態様の第２の実施形態の噴霧方法において、該液体が亜硝酸ナトリウムを含み亜硝酸ナトリウムのモル濃度が1マイクロ・モーラーから100ミリ・モーラーの範囲である。
本発明の一実施形態の噴霧装置を示す図である。 本実施形態のプラズマ活性部の構造の一例を示す図である。 従来のプラズマ活性部の構造の一例を示す図である。 図２に示す表面ＤＢＤ構造のプラズマ活性部及び図３に示す体積ＤＢＤ構造のプラズマ活性部によるミスト放出量を示すグラフである。 過酸化亜硝酸（HOONO）の生成速度の測定に使用した表面ＤＢＤ構造のプラズマ活性部の構造を示す図である。 表面ＤＢＤ構造のプラズマ活性部及び体積ＤＢＤ構造のプラズマ活性部による過酸化亜硝酸（HOONO）の生成速度を示す図である。 表面ＤＢＤ構造のプラズマ活性部によって生成される、過酸化水素、亜硝酸、硝酸イオン及び亜硝酸イオンの濃度を示す図である。 体積ＤＢＤ構造のプラズマ活性部によって生成される、過酸化水素、亜硝酸、硝酸イオン及び亜硝酸イオンの濃度を示す図である。 図７の亜硝酸の濃度及び図８の亜硝酸の濃度を拡大したスケールで示す図である。 亜硝酸ナトリウムの水溶液を使用した場合に表面ＤＢＤ構造のプラズマ活性部によって生成される、過酸化水素、亜硝酸、硝酸イオン及び亜硝酸イオンの濃度を示す図である。 亜硝酸ナトリウムの水溶液を使用した場合の表面ＤＢＤ構造のプラズマ活性部による過酸化亜硝酸（HOONO）の生成速度を示す図である。 水溶液の亜硝酸ナトリウムの濃度が1200マイクロ・モーラーの場合に、シミュレーションによって求めた活性種の濃度の経時的変化を示す図である。 水溶液の亜硝酸ナトリウムの濃度が2000マイクロ・モーラーの場合に、シミュレーションによって求めた活性種の濃度の経時的変化を示す図である。 水溶液の亜硝酸ナトリウムの濃度が1200マイクロ・モーラーの場合及び2000マイクロ・モーラーの場合に、シミュレーションによって求めた過酸化亜硝酸（HOONO）の濃度の経時的変化を示す図である。
　図１は、本発明の一実施形態の噴霧装置を示す図である。プラズマミスト生成器である噴霧装置はミスト発生部１００とプラズマ活性部２００とを備える。ミスト発生部１００は、タンクに蓄えた水を主成分とする液体を超音波振動子によってミスト化するものであってもよい。超音波振動子は、たとえばTDK株式会社の超音波加湿ユニットNB-80E-01-Hである。ミストの液滴の径は0.5マイクロ・メータから30マイクロ・メータである。プラズマ活性部２００は管状であり、管２１０の外部に設置された管状の外部電極２２０と、管２１０の内部に設置された管状の内部電極２３０と、高周波電源２４０と、を備える。管状の内部電極２３０は管２１０の上端から突出している。管２１０の材料は誘電体である。高周波電源２４０は外部電極２２０及び内部電極２３０間に高周波電圧をかけるように接続される。内部電極２３０に接続された高周波電源２４０の端子は接地される。一般的に高周波電源２４０の周波数は1キロヘルツから100キロヘルツの範囲であり、5キロヘルツから30キロヘルツの範囲であるのが好ましい。高周波電源２４０の電圧のピークピーク値は1キロ・ボルトから30キロ・ボルトの範囲である。
　ミスト発生部１００によって生成されたミストは、図１に示す管２１０の下端からプラズマ活性部２００に送り込まれる。ミストの流量は0.01マイクロ・リッター毎秒（μL/s）から1000マイクロ・リッター毎秒（μL/s）の範囲であるのが好ましい。高周波電源２４０によって外部電極２２０及び内部電極２３０間に高周波電圧をかけることによってミストはプラズマ活性化され、管２１０の上端から突出した管状の内部電極２３０の先端からプラズマ活性化されたミスト３００として放出される。
　図２は、本実施形態のプラズマ活性部２００の構造の一例を示す図である。管２１０の軸方向の長さは34ミリメータ、管径は3.9ミリメータ、管の肉厚は0.7ミリメータである。一般的に誘電体材料の管の径は2ミリメータから10ミリメータの範囲であるのが好ましい。管２１０の材料は石英ガラスである。本例において管２１０の外部に設置された外部電極２２０は管２１０の外周を覆う導電性銅箔粘着テープである。導電性銅箔粘着テープの幅（軸方向の長さ）は20ミリメータ、厚さは0.7ミリメータである。外部電極２２０の上端の位置は管２１０の上端の位置から12ミリメータ下方である。本例において管２１０の内部に設置された管状の内部電極２３０はステンレス管である。ステンレス管の軸方向の長さは20ミリメータ、外径は2.41ミリメータ、肉厚は0.21ミリメータである。外部電極２２０及び内部電極２３０の軸方向の重なり部分の長さは3ミリメータである。内部電極２３０は管２１０の上端から突出しており、突出した部分の軸方向の長さは5ミリメータである。本例においてプラズマ活性化されたミスト３００は、内部電極２３０の下端から下方で、管２１０の外面に外部電極２２１０が存在し下端に隣接する領域の一部に管２１０の内面に沿って生成される。
　一般的に外部電極及び内部電極は管の軸方向の異なる位置に配置される。両電極間の放電を生じやすくするためには両電極の管２１０の軸方向の位置が部分的に重なるのが好ましい。
　図３は、従来のプラズマ活性部の構造の一例を示す図である。管２１０及び管２１０の外部に設置された管状の外部電極２２０の寸法及び材料は上記の例と同じである。外部電極２２０の上端の位置は管２１０の上端の位置から12ミリメータ下方である。内部電極２３５は棒状であり、棒の長さは100ミリメータ、棒の径は0.9ミリメータである。内部電極２３５の材料はタングステンである。内部電極２３５は管２１０の中心軸の位置に配置される。従来のプラズマ活性部においてプラズマ活性化されたミスト３００は管２１０の内側の空間において、外部電極２２０及び内部電極２３５の軸方向の位置が重なる領域に生成される。
　図２及び図３に示したプラズマ活性部は、誘電体バリア放電によってプラズマを形成する。本明細書において、図２に示す本発明のプラズマ活性部２００の構造を表面誘電体バリア放電構造（表面ＤＢＤ構造）と呼称し、図３に示すプラズマ活性部の構造を体積誘電体バリア放電構造（体積ＤＢＤ構造）と呼称する。
　図４は、図２に示す表面ＤＢＤ構造のプラズマ活性部及び図３に示す体積ＤＢＤ構造のプラズマ活性部によるミスト放出量を示すグラフである。高周波電源２４０の周波数は9キロ・ヘルツであり、電圧のピークピーク値は18キロ・ボルトである。ミスト放出量は、プラズマ活性部から放出されるミストをガラス板に付着させて測定した。表面ＤＢＤ構造のプラズマ活性部のミスト放出量は約1.7マイクロ・リッター毎秒（μL/s）であり、体積ＤＢＤ構造のプラズマ活性部のミスト放出量は約0.5マイクロ・リッター毎秒（μL/s）である。表面ＤＢＤ構造のプラズマ活性部のミスト放出量が体積ＤＢＤ構造のプラズマ活性部のミスト放出量よりも多い理由は、体積DBD構造では、プラズマ生成に必要な強電界が管断面全域に印加され、帯電したミストが壁面に付着しやすいためであると推察される。したがって、ミスト放出量の観点からは本発明の表面ＤＢＤ構造のプラズマ活性部の方が、従来の体積ＤＢＤ構造のプラズマ活性部よりも好ましい。
　つぎに、プラズマ活性化されたミストの殺菌能について説明する。過酸化亜硝酸（HOONO）には殺菌能があり、その殺菌能と過酸化亜硝酸（HOONO）の生成速度との間には明確な相関関係があることが知られている。過酸化亜硝酸（HOONO）は、過酸化水素及び亜硝酸から持続的に生産可能であり、過酸化水素及び亜硝酸は空気中を飛来する水の微小液滴すなわちミストをプラズマ活性化することで生産できることが知られている。
　そこで、表面ＤＢＤ構造のプラズマ活性部及び体積ＤＢＤ構造のプラズマ活性部の過酸化亜硝酸（HOONO）の生成速度を測定した。
　図５は、過酸化亜硝酸（HOONO）の生成速度の測定に使用した表面ＤＢＤ構造のプラズマ活性部の構造を示す図である。管２１０の軸方向の長さは34ミリメータ、管径は3.9ミリメータ、肉厚は0.7ミリメータである。管２１０の材料は石英ガラスである。本例において管２１０の外部に設置された外部電極２２０は導電性銅箔粘着テープである。導電性銅箔粘着テープの幅（軸方向の長さ）は20ミリメータ、厚さは0.7ミリメータである。外部電極２２０の上端の位置は管２１０の上端の位置から12ミリメータ下方である。本例において管２１０の内部に設置された管状の内部電極２３０はステンレス管である。ステンレス管の軸方向の長さは18.5ミリメータ、外径は2.41ミリメータ、肉厚は0.21ミリメータである。外部電極２２０及び内部電極２３０の軸方向の重なり部分の長さは1.5ミリメータである。内部電極２３０は管２１０の上端から突出しており、突出した部分の軸方向の長さは5ミリメータである。本例においてプラズマ活性化されたミスト３００は、内部電極２３０の下端から下方で、管２１０の外面に外部電極２２１０が存在し下端に隣接する領域の一部に管２１０の内面に沿って生成される。
　過酸化亜硝酸（HOONO）の生成速度の測定に使用した体積ＤＢＤ構造のプラズマ活性部は図３に示すものである。
　図６は、表面ＤＢＤ構造のプラズマ活性部及び体積ＤＢＤ構造のプラズマ活性部による過酸化亜硝酸（HOONO）の生成速度を示す図である。図６の横軸は両電極間にかける電圧のピークピーク値を示す。電圧の単位はキロ・ボルトである。図６の縦軸は過酸化亜硝酸（HOONO）の生成速度を示す。過酸化亜硝酸（HOONO）の生成速度の単位はマイクロ・モーラー毎秒（μM/s）である。Mで表されるモーラーは１リッター当たりのモル数である。過酸化亜硝酸（HOONO）の生成速度の測定方法については後で説明する。
　図６によると、電圧のピークピーク値が18kVの場合の表面ＤＢＤ構造のプラズマ活性部による過酸化亜硝酸（HOONO）の生成速度は約３マイクロ・モーラー毎秒（μM/s）であるが、電圧のピークピーク値が18kVの場合の体積ＤＢＤ構造のプラズマ活性部による過酸化亜硝酸（HOONO）の生成速度はゼロである。したがって、過酸化亜硝酸（HOONO）の生成速度の観点からも本発明の表面ＤＢＤ構造のプラズマ活性部の方が、従来の体積ＤＢＤ構造のプラズマ活性部よりも好ましい。
　過酸化亜硝酸（HOONO）は以下の反応式（１）にしたがって生成される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 反応式（１）の左辺の活性種、すなわち過酸化水素、亜硝酸と水素イオン
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 はプラズマ活性化されたミストによって生成されて長時間残留し、過酸化亜硝酸（HOONO）を生成し続ける。過酸化亜硝酸（HOONO）は半減期は典型的には約１秒であり、硝酸イオン
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 及び亜硝酸イオン
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 に分解され、過酸化水素
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 が枯渇するまで生成が持続する。
　図７は、表面ＤＢＤ構造のプラズマ活性部によって生成される、過酸化水素、硝酸イオン、亜硝酸及び亜硝酸イオンの濃度を示す図である。図７の横軸は両電極間にかける電圧のピークピーク値を示す。電圧の単位はキロ・ボルトである。図７の縦軸は活性種の濃度を示す。濃度の単位はミリ・モーラーである。活性種の濃度は、ガラス板などによってミストから回収した液滴を、超ミクロセルを利用した吸光光度定量法によって測定して求めた。
　図８は、体積ＤＢＤ構造のプラズマ活性部によって生成される、過酸化水素、硝酸イオン、亜硝酸及び亜硝酸イオンの濃度を示す図である。図８の横軸は両電極間にかける電圧のピークピーク値を示す。電圧の単位はキロ・ボルトである。図８の縦軸は活性種の濃度を示す。濃度の単位はミリ・モーラーである。なお、図８の縦軸のスケールの範囲は図７の縦軸のスケールの範囲よりも大きい。
　図７及び図８を比較すると、図８の電圧のピークピーク値が18kVの場合の過酸化水素の濃度は約6ミリ・モーラーであり、図７の電圧のピークピーク値が18kVの場合の過酸化水素の濃度は約1.3ミリ・モーラーである。すなわち、図８の体積ＤＢＤ構造の場合の過酸化水素の濃度は図７の表面ＤＢＤ構造の場合の過酸化水素の濃度の約５倍である。
　図９は、図７の亜硝酸の濃度及び図８の亜硝酸の濃度を拡大したスケールで示す図である。図９の横軸は両電極間にかける電圧のピークピーク値を示す。電圧の単位はキロ・ボルトである。図９の縦軸は亜硝酸の濃度を示す。濃度の単位はマイクロ・モーラーである。図９によると、電圧のピークピーク値が18kVの場合に表面ＤＢＤ構造のプラズマ活性部によって生成される亜硝酸の濃度は約170マイクロ・モーラーであるが、電圧のピークピーク値が18kVの場合に体積ＤＢＤ構造のプラズマ活性部によって生成される亜硝酸の濃度はゼロである。なお、亜硝酸の濃度の検出限界は10マイクロ・モーラーであるので、ＤＢＤ構造のプラズマ活性部によって生成される亜硝酸の濃度は10マイクロ・モーラー未満である。
　図６乃至図９に示される結果によると、過酸化亜硝酸（HOONO）の生成速度を増加させるには反応式（１）の左辺の活性種及び水素イオンが適切な比率で（理想的には等量ずつ）生成されることが重要であり、特に亜硝酸の濃度が過酸化亜硝酸（HOONO）の生成速度に大きく影響することが推察できる。従来の体積ＤＢＤ構造のプラズマ活性部の場合は、表面ＤＢＤ構造のプラズマ活性部の場合と比較して、過酸化水素の濃度は高いが亜硝酸の濃度は検出限界未満であるので過酸化亜硝酸（HOONO）の生成速度も低くなると推察される。
　つぎに亜硝酸の濃度が過酸化亜硝酸（HOONO）の生成速度に大きく影響することを考慮して、表面ＤＢＤ構造のプラズマ活性部の場合に、水の代わりに亜硝酸ナトリウムの水溶液を使用してミストを作成することによって生成される亜硝酸の濃度を上昇させることを試みた。
　図１０は、亜硝酸ナトリウムの水溶液を使用した場合に表面ＤＢＤ構造のプラズマ活性部によって生成される、過酸化水素、亜硝酸、硝酸イオン及び亜硝酸イオンの濃度の濃度を示す図である。図１０の横軸は水溶液の亜硝酸ナトリウムの濃度を示す。濃度の単位はマイクロ・モーラーである。図１０の縦軸は活性種の濃度を示す。濃度の単位はミリ・モーラーである。両電極間にかける電圧のピークピーク値は16.3キロ・ボルトである。
　図１１は、亜硝酸ナトリウムの水溶液を使用した場合の表面ＤＢＤ構造のプラズマ活性部による過酸化亜硝酸（HOONO）の生成速度を示す図である。図１１の横軸は水溶液の亜硝酸ナトリウムの濃度を示す。濃度の単位はマイクロ・モーラーである。図１１の縦軸は過酸化亜硝酸（HOONO）の生成速度を示す。生成速度の単位はマイクロ・モーラー毎秒（μM/s）である。
　過酸化亜硝酸（HOONO）の生成速度の求め方を以下に説明する。反応式（１）から過酸化亜硝酸（HOONO）の生成速度は以下の式（２）で表せる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 kは反応速度定数であり以下の値を使用した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 式（２）に上述の方法で測定した活性種の濃度の値を代入して過酸化亜硝酸（HOONO）の生成速度を求めた。
　図６に示した、ＤＢＤ構造のプラズマ活性部による過酸化亜硝酸（HOONO）の生成速度がゼロとなる理由は、ＤＢＤ構造のプラズマ活性部によって生成される亜硝酸の濃度が検出限界未満でありゼロとなるためである。
　図１１によると、水溶液の亜硝酸ナトリウムの濃度にしたがって過酸化亜硝酸（HOONO）の生成速度は増加する。実用上水溶液の亜硝酸ナトリウムの濃度が1マイクロ・モーラーから100ミリ・モーラーの範囲であるのが好ましい。
　つぎに活性種及び過酸化亜硝酸（HOONO）の濃度の経時的変化をシミュレーションによって推定する。シミュレーションは０次化学反応シミュレーションであり、反応に関係する複数の非平衡反応式及び平衡反応式を使用し、ニュートン・ラフソン法を使用した陰解法によって活性種及び過酸化亜硝酸（HOONO）の濃度の経時的変化を求めた。
　図１２は、水溶液の亜硝酸ナトリウムの濃度が1200マイクロ・モーラーの場合に、シミュレーションによって求めた活性種の濃度の経時的変化を示す図である。図１２の横軸は時間を示す。時間の単位は秒である。図１２の縦軸は活性種の濃度を示す。濃度の単位はマイクロ・モーラーである。活性種の濃度の初期値としては図１０に示すデータを使用した。
　図１３は、水溶液の亜硝酸ナトリウムの濃度が2000マイクロ・モーラーの場合に、シミュレーションによって求めた活性種の濃度の経時的変化を示す図である。図１３の横軸は時間を示す。時間の単位は秒である。図１３の縦軸は活性種の濃度を示す。濃度の単位はマイクロ・モーラーである。活性種の濃度の初期値としては図１０に示すデータを使用した。
　図１４は、水溶液の亜硝酸ナトリウムの濃度が1200マイクロ・モーラーの場合及び2000マイクロ・モーラーの場合に、シミュレーションによって求めた過酸化亜硝酸（HOONO）の濃度の経時的変化を示す図である。図１４の横軸は時間を示す。時間の単位は秒である。図１４の縦軸は過酸化亜硝酸（HOONO）の濃度を示す。濃度の単位はマイクロ・モーラーである。
　図１４によると、過酸化亜硝酸（HOONO）の濃度は、水溶液の亜硝酸ナトリウムの濃度が1200マイクロ・モーラーの場合及び水溶液の亜硝酸ナトリウムの濃度が2000マイクロ・モーラーの場合に、300秒以上0.5マイクロ・モーラー以上に維持される。また、過酸化亜硝酸（HOONO）の濃度の初期値は、水溶液の亜硝酸ナトリウムの濃度が1200マイクロ・モーラーの場合の方が水溶液の亜硝酸ナトリウムの濃度が2000マイクロ・モーラーの場合よりも大きい。他方、過酸化亜硝酸（HOONO）の濃度の減少速度も、水溶液の亜硝酸ナトリウムの濃度が1200マイクロ・モーラーの場合の方が水溶液の亜硝酸ナトリウムの濃度が2000マイクロ・モーラーの場合よりも大きい。水溶液の亜硝酸ナトリウムの濃度が1200マイクロ・モーラーの場合は、過酸化亜硝酸（HOONO）の濃度の初期値が大きいのでたとえばハンドサニタイザリーなどの用途により適し、亜硝酸ナトリウムの濃度が2000マイクロ・モーラーの場合は、過酸化亜硝酸（HOONO）の濃度が比較的長い時間維持されるので室内噴霧用などの用途により適する。
　上記の実施例では過酸化亜硝酸（HOONO）の濃度を増加させる目的でミストを発生させるために使用する液体に亜硝酸ナトリウムを添加した。一般的には、ミストを発生させるために使用する液体に亜硝酸または亜硝酸イオンを添加することによって過酸化亜硝酸（HOONO）の濃度を増加させることができる。

Claims (9)

  1. 　ミスト発生部とプラズマ活性部とを備えた噴霧装置であって、
    　該プラズマ活性部は誘電体材料の管と、該誘電体材料の管の外面に設置された外部電極と、該誘電体材料の管の内面に設置された内部電極と、該外部電極及び該内部電極に高周波電圧を加える高周波電源とを備え、該外部電極及び該内部電極の該誘電体材料の管の軸方向の位置は、重ならないか部分的にのみ重なるように構成されており、該ミスト発生部から該誘電体材料の管の一方の端部に送り込まれたたミストが該誘電体材料の管を通過した後に該誘電体材料の管の他方の側からプラズマ活性化されて送り出されるように構成された噴霧装置。
  2. 　該外部電極及び該内部電極の該誘電体材料の管の軸方向の位置が部分的にのみ重なるように構成された請求項１に記載の噴霧装置。
  3. 　該高周波電源の周波数が1キロ・ヘルツから100キロ・ヘルツの範囲であり、電圧のピークピーク値の範囲が1キロ・ボルトから30キロ・ボルトの範囲である請求項１に記載の噴霧装置。
  4. 　該ミスト発生部が0.5マイクロ・メータから30マイクロ・メータの径の液滴を生成するように構成された請求項１に記載の噴霧装置。
  5. 　該誘電体材料の管の径が0.5ミリメータから20ミリメータミリメータの範囲である請求項１に記載の噴霧装置。
  6. 　該内部電極が該誘電体材料の管の内側の管である請求項１に記載の噴霧装置。
  7. 　水を主成分とする液体から請求項１に記載の噴霧装置によってプラズマ活性化されたミストを生成する噴霧方法。
  8. 　該液体が亜硝酸または亜硝酸イオンを含む水溶液である請求項７に記載の噴霧方法。
  9. 　該液体が亜硝酸ナトリウムを含み亜硝酸ナトリウムのモル濃度が1マイクロ・モーラーから100ミリ・モーラーの範囲である請求項８に記載の噴霧方法。
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