特開 2016-146307 液中プラズマ発生装置及び液中プラズマ発生方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2016-146307(P2016-146307A)

(43)【公開日】2016年8月12日

(54)【発明の名称】液中プラズマ発生装置及び液中プラズマ発生方法

(51)【国際特許分類】

   H05H 1/24 20060101AFI20160715BHJP

【ＦＩ】

   H05H1/24

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】書面

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2015-35810(P2015-35810)

(22)【出願日】2015年2月6日

(71)【出願人】

【識別番号】502297999

【氏名又は名称】前原 常弘

(72)【発明者】

【氏名】田中 彩果

(72)【発明者】

【氏名】前原 常弘

(57)【要約】

【課題】金属汚染を防止し、低い電気伝導率の液体に対して液中でプラズマを発生させることができる。
【解決手段】本発明の液中プラズマ発生装置は、液体を収容可能な容器２と、容器内部を上方室２１と下方室２２に区画する本体部３１と、上方室と下方室とを連通させる貫通孔３２ａを本体部に形成する貫通孔形成部３２と、を有する絶縁部材３と、上方室に配置される上方電極４と、下方室に配置される下方電極５と、上方電極及び下方電極の電極間に高周波を印加する高周波印加装置６と、気体を注入するための機構８１と、減圧するための装置９と、 気体を注入するための機構と、を備え、貫通孔の内径が３ｍｍから１０ｍｍであり、高周波印加装置は、液中の前記電極間に高周波を印加し、貫通孔内にプラズマを発生させる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体を収容可能な容器と、
前記容器内部を上方室と下方室に区画する本体部と、前記上方室と前記下方室とを連通させる貫通孔を前記本体部に形成する貫通孔形成部と、を有する絶縁部材と、
前記上方室に配置される上方電極と、
前記下方室に配置される下方電極と、
前記上方電極及び前記下方電極の電極間に高周波を印加する高周波印加装置と、
減圧するための機構と、
気体を注入するための機構と、
を備え、
前記高周波印加装置は、液中の前記電極間に高周波を印加し、前記貫通孔内に気泡に包まれたプラズマを発生させる液中プラズマ発生装置。

【請求項2】

前記貫通孔形成部は、前記本体部に固定された筒状絶縁部材であって、内径が３ｍｍから１０ｍｍの範囲にある請求項１に記載の液中プラズマ発生装置。

【請求項3】

請求項１〜２の何れか一項に記載の液中プラズマ発生装置を用いた液中プラズマ発生方法であって、
前記高周波印加装置により液中の前記電極間に高周波を印加する高周波印加ステップと、
前記貫通孔内に気泡を注入させる気泡注入ステップと、
前記貫通孔内にプラズマを発生させるプラズマ発生ステップと、
を含む液中プラズマ発生方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液中にプラズマを発生させる液中プラズマ発生装置及び液中プラズマ発生方法に関する。

【背景技術】

【0002】

昨今、例えば液中でプラズマを発生させることで有機物を処理する方法など、液中でプラズマを発生させる研究が多く行われている。例えば、特開２０１１−２１０４５３号公報（特許文献１）には、略針状の電極に高周波を印加して、電極直上（直近）にプラズマを発生させるものが記載されている。また、特開２０１３−１５２７８８号公報（特許文献２）では、高い電気伝導率を有する食塩水が保持された容器において、上下に電極が置かれ、その間に絶縁板（フッ素樹脂）が配置されている。絶縁板中央に貫通孔があり、この貫通孔でプラズマが発生する。プラズマが電極と接していないため、電極金属の析出スパッタがないことが特徴である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１１−２１０４５３号公報

【特許文献2】特開２０１３−１５２７８８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献２に記載の発明では１．７Ｓ／ｍ以下の電気伝導率の水溶液ではプラズマの発生が確認されておらず、純水や水道水といった電気伝導率の低い液体ではプラズマの発生は不可能であった。

【0005】

本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、金属汚染を防止し、低い電気伝導率の液体に対して液中でプラズマを発生させることができる液中プラズマ発生装置及びその方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

請求項１に記載の発明は、液体を収容可能な容器と、前記容器内部を上方室と下方室に区画する本体部と、前記上方室と前記下方室とを連通させる貫通孔を前記本体部に形成する貫通孔形成部と、を有する絶縁部材と、前記上方室に配置される上方電極と、前記下方室に配置される下方電極と、前記上方電極及び前記下方電極の電極間に高周波を印加する高周波印加装置と、減圧するための機構と、気体を注入するための機構と、を備え、前記高周波印加装置は、液中の前記電極間に高周波を印加し、前記貫通孔内に気泡に包まれたプラズマを発生させる液中プラズマ発生装置である。

【0007】

請求項２に記載の発明は、請求項１において、気泡が滞留せず、且つ、高周波のエネルギーが集中する前記貫通孔の内径を示している。

【0008】

請求項３に記載の発明は、請求項１〜２の何れか一項に記載の液中プラズマ発生装置を用いた液中プラズマ発生方法であって、前記貫通孔内に気泡を注入する気泡注入ステップと、前記高周波印加装置により液中の前記電極間に高周波を印加する高周波印加ステップと、前記貫通孔内にプラズマを発生させるプラズマ発生ステップと、を含む液中プラズマ発生方法である。

【発明の効果】

【0009】

請求項１に記載の発明によれば、貫通孔内に気泡を通過させることができるとともに、貫通孔内に気泡内に高周波のエネルギーが集中する。このとき、減圧されているために、液中の貫通孔内に容易にプラズマが発生する。電極付近でプラズマを発生させないため、電極金属による液体の汚染を防止することができる。

【0010】

請求項２に記載の発明によれば、気泡が滑らかに上昇でき、且つ、高周波のエネルギーが集中してプラズマを発生できる程度の貫通孔の内径であれば、プラズマの発生が容易となる。また、貫通孔形成部の材料を、本体部よりもプラズマに対する耐性が高い材料で形成することができる。

【0011】

請求項３に記載の発明によれば、気泡内に高周波のエネルギーを集中させ、高い電気伝導率の液中において貫通孔内にプラズマを発生させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施形態の液中プラズマ発生装置の構成を説明するための概念図である。

【図2】プラズマ発生の原理を表す概念図である。

【図3】液中プラズマ発生方法を示すフローチャートである。

【図4】実施例における実験装置（液中プラズマ発生装置）を示す概念図である。

【図5】実験１における発光スペクトルを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。なお、構成を示す図面は、概念図であり、寸法を正確に表すものではない。

【0014】

＜実施形態＞
実施形態の液中プラズマ発生装置は、図１に示すように、容器２と、絶縁部材３と、上方電極４と、下方電極５と、高周波印加装置６と、を備えている。容器２は、液体を収容可能なものであり、ここでは水槽が用いられている。容器２は、内部に、上側の液体収容空間である上方室２１と、下側の液体収容空間である下方室２２と、を有している。なお、容器２の上方室２１には、減圧のために孔が設けられており、減圧器（アスピレータや真空ポンプ）９に接続される。

【0015】

絶縁部材３は、絶縁体で形成されたものであり、本体部３１と、貫通孔形成部３２と、傾斜部３３と、を備えている。本体部３１は、板形状に形成されており、容器２内部の上下方向略中央に配置され、外周縁全周が容器２内周面に当接し、容器２の底面と略平行に固定されている。当該固定は、容器２に対して本体部３１を嵌合・接着等させる方法で行えば良い。このように、本体部３１は、容器２内部を上方室２１と下方室２２とに区画している。本体部３１は、例えば耐熱性に優れたフッ素樹脂（ポリテトラフルオロエチレン等）、アクリル樹脂、又はセラミックス等で形成されている。
貫通孔形成部３２は、筒形状であって、本体部３１の略中央に設けられ、本体部３１に貫通孔３２ａを形成している。貫通孔３２ａは、上方室２１と下方室２２とを連通させている。

【0016】

貫通孔形成部３２は、本体部３１と同材料で形成されても良いが、本実施形態では別材料により形成されている。本実施形態では、本体部３１がフッ素樹脂で形成され、貫通孔形成部３２はセラミックスで形成されている。つまり、本実施形態の貫通孔形成部３２は、本体部３１に設けられた孔に固定されたセラミック管（筒状絶縁部材）である。貫通孔形成部３２は、発生させるプラズマに対して溶融・損傷しにくい材料で形成されていることが好ましい。

【0017】

傾斜部３３は、本体部３１の下面に設けられ、貫通孔形成部３２に近づくほど上方となるように傾斜した部位である。本実施形態の傾斜部３３は、本体部３１の下面全面に設けられている。換言すると、本体部３１の下面は、外周縁から貫通孔形成部３２が位置する略中央に向かうほど上方となるように傾斜している。つまり、本体部３１及び傾斜部３３の上下方向の幅は、略中央に向かうほど小さい。傾斜部３３は、例えば本体部３１の下面を研削等して形成できる。

【0018】

上方電極４は、円柱形状の導体（例えば銅又は真鍮等）であり、上方室２１に配置されている。上方電極４は、先端面４１が容器２内で下方に露出するように容器２の上蓋に固定されている。つまり、上方電極４は、下方に露出した下方面（先端面４１）を有する。上方電極４は、接地（グランドに接続）されている。上方電極４の先端面４１は、容器２に液体を収容した際、液中に配置される。

【0019】

下方電極５は、円柱形状の導体（例えば銅又はタングステン等）であり、下方室２１に配置されている。下方電極５は、先端面５１が容器２内で上方に露出するように容器２の底部に固定されている。下方電極５の先端面５１は、絶縁部材３を介して、上方電極４の先端面４１に対向している。つまり、下方電極５は、上方に露出した上方面（先端面５１）を有する。下方電極５の外周面は、セラミックスからなる被覆部材５Ａで覆われている。下方電極５は、高周波印加装置６に接続されている。下方電極５の先端面５１は、容器２に液体を収容した際、液中に配置される。

【0020】

高周波印加装置６は、下方電極５に電力を供給し、上方電極４と下方電極５の両電極間に高周波を印加する装置である。具体的には、高周波印加装置６は、高周波電源６１と、整合回路６２と、共振回路６３と、を備えている。高周波電源６１は、整合回路６２及び共振回路６３を介して下方電極５に接続されている。高周波電源６１は、整合回路６２及び共振回路６３を経て下方電極５に電力を印加する。高周波とは、周波数およそ２０ｋＨｚ〜２ＧＨｚの範囲を意味する。

【0021】

ポンプ７は、上方室２１に蓄えられた液体を下方室２２へと送る。このことにより、気泡が下方室２２に滞留することを防ぐ。配管７１は、コイル形状であり、ポンプ７と下方室２２とを連通させる流路を形成するものである。配管８をコイル形状にすることにより、上方室２１と下方室２２のショートによる不具合発生を抑制することができる。図１の構成の場合、配管７１で形成されるコイル７１ａのインダクタンスは、別体である共振回路６３中に含まれるコイルのインダクタンスより大きい（例えば１０倍程度）ことが好ましい。このため、配管７１が形成するコイルには強磁性体（例えば鉄）からなる芯を有することが望ましい。なお、配管７１の材料は、金属でも樹脂でも良い。

【0022】

気体注入口８１は、下方室２２に設けられており、バルブを経由して、ボンベなど必要な気体を蓄えた容器８に接続されている。気体は放電を容易にする気体（希ガスなど）が望ましい。注入された気体は気泡を形成し、下方室２２内を上昇後、貫通孔３２ａを経由して、上方室２１に入り、減圧器９によって排気される。

【0023】

ここで、液中プラズマ発生装置１の作用効果について説明する。容器２内に液体が収容され、高周波印加装置６により下方電極５に電力が印加されると、電極４、５間に複数の電気力線（電場）が発生する。気泡が貫通孔３２ａ内に到達するとき、図２（ａ）に示すように、電気力線の多くは気泡を避けるように迂回する。その結果、気泡と貫通孔形成部３２の間の電気力線の密度は高くなり、電場が強くなる。誘電体の不連続面において、電場の接戦成分は連続であるので、気泡内において貫通孔形成部３２近傍の電場は強くなる。十分な電場強度を達成すると、プラズマが発生する。プラズマ発生後は気体注入口８１からの気体の注入を停止しても、プラズマが気泡を生成するために、気泡とプラズマは持続的に維持される。貫通孔３２ａは、気泡が通過しやすい直径（３ｍｍ以上）で形成されていることが好ましい。貫通孔形成部３２の材料に、本体部３１よりもプラズマに対する耐性（例えば耐熱性や耐損傷性）が大きい材料を選択することが望ましい。電極４、５付近でプラズマを発生させないため、電極金属による液体の汚染を防止することができる。

【0024】

ここで、本実施形態の液中プラズマ発生装置（図１）を用いた液中プラズマ発生方法の流れは以下のようになる。図３に示すように、液中プラズマ発生方法は、気体を注入するステップＳ１０１と、高周波印加装置６により液中の電極４、５間に高周波を印加する高周波印加ステップＳ１０２と、貫通孔３２ａ内にプラズマを発生させるプラズマ発生ステップＳ１０３と、プラズマ発生後に気体注入を停止するステップＳ１０４を含んでいる。なお、Ｓ１０１前に、容器２に液体を、上方電極４の下方面４１が液中に位置する程度に収容する。

【実施例】

【0025】

実験で用いた液中プラズマ発生装置（図４）について説明する。上方電極４は、真鍮管（外径２０ｍｍ、内径８ｍｍ）であって、開口には分光計測用の石英窓４２が設けられている。また、上方電極４にはレンズ４３と光ファイバ４４とが取り付けられている。プラズマの発光は、これら器具４２、４３、４４を介して分光器（図示せず）に送られる。下方電極５は、銅丸棒（直径１０ｍｍ）であって、周囲（側面）をセラミック被覆部材５Ａで覆われている。セラミック被覆部材５Ａは、電極側面からの電力損失を防止している。

【0026】

絶縁部材３の本体部３１は、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）からなる絶縁板であって、傾斜部３３は２段階の傾斜を有している。縁部分の厚さ（最大厚さ）が１０ｍｍ、中央部分の厚さ（最小厚さ）が２ｍｍとなっている。貫通孔形成部３２は、セラミック管（外径８ｍｍ、内径５ｍｍ、長さ２ｍｍ）であって、本体部３１中央部に取り付けられている。なお、実験装置における貫通孔形成部３２の取付方法としては、本体部３１中央に直径７．９ｍｍの穴を開けた後、本体部３２を加熱（およそ１００℃）し、本体部３２が膨張した際に貫通孔形成部３２を挿入する手法を用いた。ただし、別の固定方法を用いても良い。上方電極４から貫通孔形成部３２までの距離は６０ｍｍであり、下方電極５から貫通孔形成部３２までの距離は５０ｍｍであった。

【0027】

上方室２１は、内径４０ｍｍ、高さ１００ｍｍの耐熱ガラスで形成されており、貯水槽９Ａと２つの管で接続されている。貯水槽９Ａはアスピレータ９に接続され、減圧される。直接、容器２にアスピレータを接続し、減圧した場合は、気体の注入やプラズマ発生に伴って、液面が上下に乱れて容器内の水が吸い出さることが起こる。このことにより、液面の低下し、上方電極４と液面が非接触状態となり、インピーダンスの大幅な変化を生み出す。インピーダンスの大幅な変化は高周波の正味の電力印加を困難にする。そこで、貯水槽９Ａを経由して減圧することとした。下方室２２および貯水槽９Ａは内径４０ｍｍ、高さ７０ｍｍの耐熱ガラスで形成されている。実験するにあたり、下方室２２および貯水槽９Ａには約８０ｍｌの純水を入れ、上方室２１には約１００ｍｌの純水を入れた。ポンプ７として、ペレスタリティックポンプを用い、３ｍＬ／分の流速で、上方室２１から下方室２２へと水を流した。なお、ペレスタリティックポンプはシリコンチューブを押し潰して、送液するため、チューブ内より外部の気圧が高い場合には送液できない。そこで、ペレスタリティックポンプ周囲も減圧を行っている。純水の電気伝導率は０．２ｍＳ／ｍであった。実験前の水温は２５℃であった。高周波印加装置６は、下方電極５に接続されており、電極４、５間に高周波（１３．５６ＭＨｚ）を印加する。

【0028】

［実験１］
実験１は以下の手順で行った。まず、減圧器９により減圧し、容器内の圧力を０．０５気圧とした。次に、気体注入口８１より、アルゴンガスを注入した。高周波印加装置６により、下方電極５に小電力（４０Ｗ）を印加し、反射電力が最小となるように整合回路６２を調整した後、電力を増加（漸増）していった。供給電力が４００Ｗ程度となったところで、貫通孔３２ａ内にプラズマが発生した。プラズマ発生後はアルゴンガスの注入を停止した。アルゴンガスの注入を停止しても、貫通孔３２ａ内において、プラズマによって気泡は生成され続ける。電力を減少（漸減）していき、２００Ｗとした。供給電力を２００Ｗで維持して、プラズマ発生を継続させた。貫通孔３２ａ内にプラズマが発生し、貫通孔形成部３２の上端開口から気泡とプラズマが吹き出たことも確認できた。

【0029】

図５は、上記純水において、下方電極５に１３．５６ＭＨｚで４００Ｗの電力を印加した場合の発光スペクトル（縦軸：発光強度、横軸：波長）を示している。図５に示すように、ＯＨ（〜３０９ｎｍ）やＨ（６５６ｎｍ）、Ｏ（７７７ｎｍ）の発光が見られた。プラズマにより水分子が解離し、ＯＨ及びＨが発生していることを示唆している。

【0030】

［実験２］
実験２では、貫通孔のサイズ（長さ、内径）を変化させた他は、実験１と同様の条件・手順で行った。すなわち、貫通孔のサイズ（長さ、内径）に対するプラズマ発生の依存性を調べた。結果を［表１］にまとめる。この表において、◎は４００Ｗで、○は６００Ｗで、△は８００Ｗで、プラズマの維持が可能であることを示している。×は８００Ｗ以下で維持できない、若しくは、セラミック管が破損する、ということを示している。

【0031】

【表1】

【0032】

［実験３］
実験３では、注入する気体をアルゴンから空気に替えて、実験１と同様の条件・手順で行った。実験１では４００Ｗでプラズマが発生していたが、本実験３では７００Ｗでプラズマが発生した。なお、気体の注入なしではプラズマは発生しなかった。すなわち、気体の注入は必要であり、空気でも構わないが、希ガスがより望ましい。

【0033】

このように、本実施形態の液中プラズマ発生装置では、低い電気伝導率、例えば０．２ｍＳ／ｍの液中で好適にプラズマを発生させることができる。

【符号の説明】

【0034】

１：液中プラズマ発生装置、
２：容器、 ２１：上方室、 ２２：下方室、
３：絶縁部材、 ３１：本体部、 ３２：貫通孔形成部、 ３２ａ：貫通孔、
３３：傾斜部、
４：上方電極、 ５：下方電極、
６：高周波印加装置、 ６１：高周波電源、 ６２：整合回路、 ６３：共振回路
７：ポンプ、 ７１：配管
８：気体を蓄えた容器、 ８１：気体注入口
９：減圧器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】