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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】特表2021-524988(P2021-524988A)
(43)【公表日】2021年9月16日
(54)【発明の名称】水中プラズマ発生装置及びそれを含むアプリケーション
(51)【国際特許分類】
H05H 1/24 20060101AFI20210820BHJP
B01J 19/08 20060101ALI20210820BHJP
C02F 1/48 20060101ALI20210820BHJP
B01F 5/06 20060101ALI20210820BHJP
B01F 3/04 20060101ALI20210820BHJP
C02F 1/34 20060101ALI20210820BHJP
【ＦＩ】
H05H1/24
B01J19/08 E
C02F1/48 A
B01J19/08 D
B01F5/06
B01F3/04 Z
C02F1/34
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
【全頁数】38
(21)【出願番号】特願2020-565926(P2020-565926)
(86)(22)【出願日】2019年2月22日
(85)【翻訳文提出日】2020年11月26日
(86)【国際出願番号】KR2019002200
(87)【国際公開番号】WO2020171261
(87)【国際公開日】20200827
(81)【指定国】
AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,ST,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DJ,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JO,JP,KE,KG,KH,KN,KP,KW,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT,TZ
(71)【出願人】
【識別番号】520440032
【氏名又は名称】ケー フュージョン テクノロジー インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110000877
【氏名又は名称】龍華国際特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】クワク、ホン キル
【テーマコード（参考）】
2G084
4D037
4D061
4G035
4G075
【Ｆターム（参考）】
2G084BB02
2G084BB37
2G084CC11
2G084CC35
2G084DD17
2G084DD21
2G084DD63
2G084FF22
2G084FF27
2G084FF28
4D037AA01
4D037BA26
4D037CA05
4D061DA01
4D061DA10
4D061DB06
4D061EA17
4D061EC01
4D061EC10
4D061EC19
4G035AB04
4G035AC26
4G075AA05
4G075AA14
4G075BA08
4G075BB05
4G075CA42
4G075CA47
4G075CA54
4G075DA02
4G075DA18
4G075EB21
4G075EB41
4G075EC01
4G075FA01
4G075FA12
4G075FB02
4G075FB04
4G075FB06
4G075FB12
4G075FC15
4G075FC20
(57)【要約】
本発明の実施例に係る水中プラズマ発生装置は、内側に長手方向に沿って作動流体が通過可能な流路が形成されるリアクター；及び、流路に配置されて流路を一側及び他側空間に区画し、内側に流路より小さな大きさの貫通孔を形成して、流路の一側空間に流入した作動流体に空洞現象による微細気泡を発生させ、一側に貫通孔に流入する作動流体と摩擦されて微細気泡に同種電荷を放出する金属性触媒を備えて、微細気泡を崩壊させてプラズマを発生させるように構成される誘電性挿入物；を含み、プラズマに露出されてイオン化された作動流体が流れる流路の他側空間は、楕円構造に形成される。本発明の実施例によれば、プラズマに露出されてイオン化された作動流体が流れる流路の他側空間を楕円構造に形成することで、イオン分離効率を極大化することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
内側に長手方向に沿って作動流体が通過可能な流路が形成されるリアクターと、
前記流路に配置されて前記流路を一側及び他側空間に区画し、内側に前記流路より小さな大きさの貫通孔を形成して、前記流路の一側空間に流入した前記作動流体に空洞現象による微細気泡を発生させ、一側に前記貫通孔に流入する前記作動流体と摩擦されて前記微細気泡に同種電荷を放出する金属性触媒を備えて、前記微細気泡を崩壊させてプラズマを発生させるように構成される誘電性挿入物と、
を含み、
前記プラズマに露出されてイオン化された作動流体が流れる前記流路の他側空間は、楕円構造に形成される、水中プラズマ発生装置。
前記流路に配置されて前記流路を一側及び他側空間に区画し、内側に前記流路より小さな大きさの貫通孔を形成して、前記流路の一側空間に流入した前記作動流体に空洞現象による微細気泡を発生させ、一側に前記貫通孔に流入する前記作動流体と摩擦されて前記微細気泡に同種電荷を放出する金属性触媒を備えて、前記微細気泡を崩壊させてプラズマを発生させるように構成される誘電性挿入物と、
を含み、
前記プラズマに露出されてイオン化された作動流体が流れる前記流路の他側空間は、楕円構造に形成される、水中プラズマ発生装置。
【請求項2】
前記流路の一側空間は、水平方向側直径と垂直方向側直径が同一である正円構造に形成され、
前記流路の他側空間は、水平方向側直径が垂直方向側直径に比してさらに大きく形成される、請求項１に記載の水中プラズマ発生装置。
前記流路の他側空間は、水平方向側直径が垂直方向側直径に比してさらに大きく形成される、請求項１に記載の水中プラズマ発生装置。
【請求項3】
前記流路の他側空間は、垂直方向に対向配置された複数の平面区間と、水平方向に対向配置された複数の曲面区間を含むトラック型楕円構造に形成される、請求項２に記載の水中プラズマ発生装置。
【請求項4】
前記作動流体は、軽水または軽水と重水が混合された混合流体または軽水とメタノールが混合された混合流体または軽水とエタノールが混合された混合流体に適用可能である、請求項１から３のいずれか一項に記載の水中プラズマ発生装置。
【請求項5】
前記流路の他側空間に対応する前記リアクターの外面に設けられ、前記流路の他側空間に磁界を形成して、前記誘電性挿入物を通過して前記プラズマに露出されてイオン化された作動流体からＨ＋イオン及びＯＨ−イオンを分離させるように構成されるイオン分離部をさらに含み、
前記リアクターの外面に接触する前記イオン分離部の接触面は、前記流路の他側空間の直径に対応するか、前記流路の他側空間の直径より大きな幅に形成される、請求項１から４のいずれか一項に記載の水中プラズマ発生装置。
前記リアクターの外面に接触する前記イオン分離部の接触面は、前記流路の他側空間の直径に対応するか、前記流路の他側空間の直径より大きな幅に形成される、請求項１から４のいずれか一項に記載の水中プラズマ発生装置。
【請求項6】
前記リアクターの外面には、前記流路に向かって予め設定された深さに陥没して前記イオン分離部が安着可能な安着支持溝が形成され、前記安着支持溝に接触した前記接触面と、前記流路の他側空間を形成する前記リアクターの内面は、最小４〜１１ｍｍの間の距離だけ離隔される、請求項５に記載の水中プラズマ発生装置。
【請求項7】
前記イオン分離部は、前記流路を中心に垂直方向に沿って対向配置され、前記リアクターの外面の全体または一部を囲むように形成される複数の磁性体を含み、
前記複数の磁性体は、
Ｓ極性が前記流路に向かうように前記リアクターの上側に配置される第１磁性体、及び
Ｎ極性が前記流路に向かうように前記リアクターの下側に配置される帯びる第２磁性体を有する、請求項５または６に記載の水中プラズマ発生装置。
前記複数の磁性体は、
Ｓ極性が前記流路に向かうように前記リアクターの上側に配置される第１磁性体、及び
Ｎ極性が前記流路に向かうように前記リアクターの下側に配置される帯びる第２磁性体を有する、請求項５または６に記載の水中プラズマ発生装置。
【請求項8】
前記複数の磁性体は、前記流路に向かって断面の幅が次第に狭くなるウェッジ（ＷＥＤＧＥ）構造に形成される、請求項７に記載の水中プラズマ発生装置。
【請求項9】
前記イオン分離部は、
前記複数の磁性体の両側面を支持して前記複数の磁性体の流動を制限するように形成される磁性体支持部をさらに含む、請求項７または８に記載の水中プラズマ発生装置。
前記複数の磁性体の両側面を支持して前記複数の磁性体の流動を制限するように形成される磁性体支持部をさらに含む、請求項７または８に記載の水中プラズマ発生装置。
【請求項10】
前記イオン分離部は、
前記第１磁性体及び前記第２磁性体を囲むように前記第１磁性体及び前記第２磁性体の外側に設けられ、前記第１磁性体及び前記第２磁性体を通して形成される磁界を遮蔽するように構成される遮蔽部をさらに含む、請求項７から９のいずれか一項に記載の水中プラズマ発生装置。
前記第１磁性体及び前記第２磁性体を囲むように前記第１磁性体及び前記第２磁性体の外側に設けられ、前記第１磁性体及び前記第２磁性体を通して形成される磁界を遮蔽するように構成される遮蔽部をさらに含む、請求項７から９のいずれか一項に記載の水中プラズマ発生装置。
【請求項11】
前記遮蔽部は、金属性素材で形成され、多層構造に形成される、請求項１０に記載の水中プラズマ発生装置。
【請求項12】
前記イオン分離部は、
Ｓ極性が前記第１磁性体に向かうように前記第１磁性体の両側面に配置される第３磁性体、及び
前記第３磁性体に対向配置され、Ｎ極性が前記第２磁性体に向かうように前記第２磁性体の両側面に配置される第４磁性体をさらに含む、請求項７から１１のいずれか一項に記載の水中プラズマ発生装置。
Ｓ極性が前記第１磁性体に向かうように前記第１磁性体の両側面に配置される第３磁性体、及び
前記第３磁性体に対向配置され、Ｎ極性が前記第２磁性体に向かうように前記第２磁性体の両側面に配置される第４磁性体をさらに含む、請求項７から１１のいずれか一項に記載の水中プラズマ発生装置。
【請求項13】
前記リアクターに設けられ、内側に前記イオン分離部を通して分離された前記Ｈ＋イオン及び前記ＯＨ−イオンを互いに異なる方向に分岐させるように構成される複数の分岐流路が形成される分岐部をさらに含む、請求項５から１２のいずれか一項に記載の水中プラズマ発生装置。
【請求項14】
前記複数の分岐流路は、
前記Ｈ＋イオンが含まれた作動流体の移動を案内する第１分岐流路、及び
水平方向に沿って前記第１分岐流路に対向配置され、前記ＯＨ−イオンが含まれた作動流体の移動を案内する第２分岐流路を含み、
前記第１分岐流路と前記第２分岐流路は、２６．５度〜３０度の角度に分岐される、請求項１３に記載の水中プラズマ発生装置。
前記Ｈ＋イオンが含まれた作動流体の移動を案内する第１分岐流路、及び
水平方向に沿って前記第１分岐流路に対向配置され、前記ＯＨ−イオンが含まれた作動流体の移動を案内する第２分岐流路を含み、
前記第１分岐流路と前記第２分岐流路は、２６．５度〜３０度の角度に分岐される、請求項１３に記載の水中プラズマ発生装置。
【請求項15】
請求項１から１４のいずれか一項に記載の水中プラズマ発生装置を含む、水素ステーション。
【請求項16】
請求項１から１４のいずれか一項に記載の水中プラズマ発生装置を含む、プラズマ活性水製造システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、水中プラズマ発生装置及びそれを含むアプリケーションに関し、より詳細には、一方向に移動中である流体（液体）を利用して連続的にプラズマを発生させ、これを通して流体をイオン化してプラズマ活性水を生成するか、イオン化された流体から水素イオンを分離して水素ガスを生産できる水中プラズマ発生装置及びそれを含むアプリケーションに関する。
【背景技術】
【0002】
プラズマとは、超高温で負電荷を持つ電子（ｅ−）と正電荷を帯びたイオン（Ａ＋、水素原子核）とに分離された気体状態を意味する。また、プラズマは、電気を帯びた粒子が集まっている気体を意味することもある。プラズマは、電荷分離度が非常に高いが、全体的に負と正の電荷数が同一で電気的に中性を帯びるようになる。分子状態の気体に高いエネルギーが加えられると数万℃で気体は電子と原子核とに分離されてプラズマ状態となる。
【0003】
言い換えれば、固体にエネルギーを加えると液体、気体となり、さらにこの気体状態に高いエネルギーを加えると数万℃で気体は原子核周囲を回っている最外殻電子（ｅ−）が軌道を離脱（イオン化エネルギー）したイオン化状態となるが、このとき、分子状態の気体特性を失った異なる次元の物質となる。プラズマを第４の物質状態という。このようなイオン化状態で、Ａ原子は、下記のような構造式となる。
【0004】
［構造式］Ａ原子⇔Ａ＋＋ｅ−
【0005】
プラズマは、原子の核周囲を回っている最外殻電子が解離してカチオンとアニオンが共存した状態で、電気的には中性を帯びる。プラズマは、電気をよく通るようになる。
【0006】
また、物質がイオン化された状態で時間が経つにつれ、また安定した本来の状態に戻りながらエネルギーを放出するが、自然現象で見られる代表的なプラズマがすなわち稲妻であり、北極地方のオーロラ、大気の中のイオン層等がプラズマ状態である。
【0007】
プラズマは、原子核と電子が分離された状態であって、気体状態の原子に多くの熱を加えた時に分離されて現れる現象であるため、摂氏１，５００万℃を超える熱い太陽の中で全ての原子はプラズマ状態であるようになる。
【0008】
宇宙全体を見ると、プラズマが最もよくある状態であるといえる。しかし、日常生活でプラズマを利用するためには、このように人工的に作らなければならない。プラズマを人工的に生成実用化しようとする努力は、年ごろ着実に推進されてきた。
【0009】
プラズマを作るためには、熱を加える方法で作り出すことができ、高い電場や磁場を加えて電子の衝突を誘導して作り出すことができる。多くは直流、超高周波、電子ビーム等の電気的方法を加えてプラズマを生成した後、磁場等を使用してこのような状態を維持するようにしなければならない。
【0010】
しかし、エネルギーに使用するために既存に使用されてきた技術、即ち、気体を通した高い密度を有するプラズマ生成技術は、入力エネルギーが出力エネルギーより大きいか、超高温を利用したプラズマを閉じ込めることができる超高温状態に耐える物質を開発できず、進行が難しい状態である。
【0011】
また、プラズマは、直接産業的に使用され得るエネルギー源であるが、既存のプラズマ生成方式では、多くの電気を使用してプラズマを作り、ここで得られた電気をエネルギー源に使用する矛盾が繰り返され、結局、エネルギー使用の効率を低下させる深刻な問題を抱えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0012】
【特許文献1】大韓民国公開特許公報第１０−２０１０−００１１２４６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0013】
本発明は、のような問題点を解決するために案出されたものであって、本発明の目的は、空洞現象を通して一方向に移動する流体内に５μｍの大きさ以下に形成され、負電荷の表面電位を帯びる微細気泡（Ｍｉｃｒｏ−Ｎａｎｏ Ｂｕｂｂｌｅ）を大量に発生させ、金属性触媒を通して流体と共に移動される微細気泡に同種電荷を印加して斥力により微細気泡を連続で崩壊させることで高密度のプラズマを生成できる水中プラズマ発生装置及びそれを含むアプリケーションを提供することである。
【0014】
また、本発明の他の目的は、リアクターの外面に設けられる複数個の磁性体を遮蔽し、流路を中心に向かい合う複数個の磁性体をウェッジ構造に形成することで流路に安定した磁界を形成し、磁束密度を極大化できる水中プラズマ発生装置及びそれを含むアプリケーションを提供することである。
【0015】
また、本発明のまた他の目的は、イオン化された作動流体が流れる流路を楕円構造に形成することでイオン分離効率を極大化することができ、水中プラズマを利用してプラズマ活性水を生成するか、自ら水素ガスを生産及び供給できる水中プラズマ発生装置及びそれを含むアプリケーションを提供することである。
【0016】
本発明の課題は、以上において言及した課題に制限されず、言及されていないまた他の課題は、下記の記載から当業に明確に理解され得るだろう。
【課題を解決するための手段】
【0017】
課題を解決するための本発明の実施例に係る水中プラズマ発生装置は、内側に長手方向に沿って作動流体が通過可能な流路が形成されるリアクター；及び、流路に配置されて流路を一側及び他側空間に区画し、内側に流路より小さな大きさの貫通孔を形成して、流路の一側空間に流入した作動流体に空洞現象による微細気泡を発生させ、一側に貫通孔に流入する作動流体と摩擦されて微細気泡に同種電荷を放出する金属性触媒を備えて、微細気泡を崩壊させてプラズマを発生させるように構成される誘電性挿入物；を含み、プラズマに露出されてイオン化された作動流体が流れる流路の他側空間は、楕円構造に形成される。
【0018】
流路の一側空間は、水平方向側直径と垂直方向側直径が同一である正円構造に形成され、流路の他側空間は、水平方向側直径が垂直方向側直径に比してさらに大きく形成され得る。
【0019】
流路の他側空間は、垂直方向に対向配置された複数個の平面区間と、水平方向に対向配置された複数個の曲面区間を含むトラック型楕円構造に形成され得る。
【0020】
作動流体は、軽水または軽水と重水が混合された混合流体または軽水とメタノールが混合された混合流体または軽水とエタノールが混合された混合流体に適用可能であり得る。
【0021】
流路の他側空間に対応するリアクターの外面に設けられ、流路の他側空間に磁界を形成して、誘電性挿入物を通過してプラズマに露出されてイオン化された作動流体からＨ＋イオン及びＯＨ−イオンを分離させるように構成されるイオン分離部；をさらに含み、リアクターの外面に接触するイオン分離部の接触面は、流路の他側空間の直径に対応するか、流路の他側空間の直径より大きな幅に形成され得る。
【0022】
リアクターの外面には、流路に向かって予め設定された深さに陥没してイオン分離部が安着可能な安着支持溝が形成され、安着支持溝に接触した接触面と、流路の他側空間を形成するリアクターの内面は、最小４〜１１ｍｍの間の距離だけ離隔され得る。
【0023】
イオン分離部は、流路を中心に垂直方向に沿って対向配置され、リアクターの外面の全体または一部を囲むように形成される複数個の磁性体を含み、複数個の磁性体は、Ｓ極性が流路に向かうようにリアクターの上側に配置される第１磁性体；及び、Ｎ極性が流路に向かうようにリアクターの下側に配置される帯びる第２磁性体；を含むことができる。
【0024】
複数個の磁性体は、流路に向かって断面の幅が次第に狭くなるウェッジ（ＷＥＤＧＥ）構造に形成され得る。
【0025】
イオン分離部は、複数個の磁性体の両側面を支持して複数個の磁性体の流動を制限するように形成される磁性体支持部；をさらに含むことができる。
【0026】
イオン分離部は、第１磁性体及び第２磁性体を囲むように第１磁性体及び第２磁性体の外側に設けられ、第１磁性体及び第２磁性体を通して形成される磁界を遮蔽するように構成される遮蔽部；をさらに含むことができる。
【0027】
遮蔽部は、金属性素材で形成され、多層構造に形成され得る。
【0028】
イオン分離部は、Ｓ極性が第１磁性体に向かうように第１磁性体の両側面に配置される第３磁性体；及び、第３磁性体に対向配置され、Ｎ極性が第２磁性体に向かうように第２磁性体の両側面に配置される第４磁性体；をさらに含むことができる。
【0029】
リアクターに設けられ、内側にイオン分離部を通して分離されたＨ＋イオン及びＯＨ−イオンを互いに異なる方向に分岐させるように構成される複数個の分岐流路が形成される分岐部；をさらに含むことができる。
【0030】
複数個の分岐流路は、Ｈ＋イオンが含まれた作動流体の移動を案内する第１分岐流路；及び、水平方向に沿って第１分岐流路に対向配置され、ＯＨ−イオンが含まれた作動流体の移動を案内する第２分岐流路；を含み、第１分岐流路と第２分岐流路は、２６．５度〜３０度の角度に分岐され得る。
【0031】
一方、本発明の実施例に係る水素ステーションは、上述した水中プラズマ発生装置を含む。
【0032】
また、本発明の実施例に係るプラズマ活性水製造システムは、上述した水中プラズマ発生装置を含む。
【発明の効果】
【0033】
本発明の実施例によれば、プラズマに露出されてイオン化された作動流体が流れる流路の他側空間を楕円構造に形成することで、イオン分離効率を極大化することができ、リアクターの外面に設けられる複数個の磁性体を遮蔽し、流路を中心に向かい合う複数個の磁性体をウェッジ構造に形成することで、流路に安定した磁界を形成し、磁束密度を極大化することができる。
【0034】
また、内側に作動流体が移動可能な流路が形成されるリアクター、及び流路に収容されて流路の一側空間に空洞現象を誘発し、一側に流体の流れ時に摩擦電気を発生させる誘電性挿入物を備えることで、リアクターに流入して一方向に移動する流体内に５μｍの大きさ以下に形成され、負電荷の表面電位を帯びる微細気泡を大量に発生させ、流体と共に移動される微細気泡に同種電荷を印加して斥力により微細気泡を連続で崩壊させて高密度のプラズマを連続的に生成することができる。
【0035】
また、従来の気体プラズマ発生装置のように数千〜数万ボルト以上の高電圧を利用することなく、室温で炭化水素系オイルまたは軽水（Ｈ２Ｏ）または軽水と重水（Ｄ２Ｏ）が混合された作動流体または軽水とメタノールまたは軽水とエタノールが混合された作動流体の循環だけでプラズマを生成できることで、気体プラズマに比して高密度のプラズマを生成できることはもちろん、装置の構造を単純化してコストを節減することができる。
【0036】
また、作動流体を一方向に循環させて連続的にプラズマを生成でき、プラズマが液状の流体の中に閉じ込められた状態で発生することで、音波発光（Ｓｏｎｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）または化学発光（Ｃｈｅｍｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）を通したプラズマの生成を排除して工程を簡素化でき、プラズマの損失率を最小化することができる。
【0037】
また、速い速度で循環する作動流体内で高密度のプラズマを発生させて作動流体をイオン化し、イオン化された作動流体が移動される経路に磁場を形成して作動流体に含まれたイオンを電気的極性によって効率的に分離させることができる。
【0038】
また、軽水（Ｈ２Ｏ）または軽水と重水（Ｄ２Ｏ）の混合物を作動流体に適用する場合、振動弛緩（Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ Ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ）現象の発生なしにイオン化された作動流体からＨ＋イオン及びＯＨ−イオンを分離でき、さらに分離されたＨ＋イオンを収集して高純度の水素を大量生産することができる。
【0039】
また、プラズマが発生する内部空間に一部が露出されるようにリアクターに脱着可能な複数個のプローブを備えることで、プローブにキャパシタ等を連結する場合、高電圧の電気エネルギーを獲得することができる。
【0040】
また、リアクターからイオン分離部を脱去する場合、プラズマ活性水（ＰＡＷ：Ｐｌａｓｍａ Ａｃｔｉｖａｔｅｄ Ｗａｔｅｒ）だけを製造可能であって、別途の電気分解装置を利用するか気体式プラズマを水中に照射する従来のプラズマ活性水製造方式に比して迅速にプラズマ活性水の製造が可能であり、製造コストを飛び切り節減でき、さらに低コストで大量のプラズマ活性水を多様な食品及び農業分野はもちろん多様な産業分野に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0041】
【図1】本発明の実施例に係る水中プラズマ発生装置を概略的に示した構成図である。
【図2】本発明の実施例に係る水中プラズマ発生装置のリアクターを示した横断面図である。
【図3】本発明の実施例に係る水中プラズマ発生装置のリアクターに誘電性挿入物が配置された状態を示した横断面図である。
【図4】本発明の実施例に係る水中プラズマ発生装置の第１流路及び第２流路側断面を概略的に示した図である。
【図5】本発明の実施例に係る水中プラズマ発生装置に金属性プローブが設けられた状態を概略的に示した図である。
【図6】本発明の実施例に係る水中プラズマ発生装置の誘電性挿入物が流路に配置された状態を概略的に示した断面図である。
【図7】本発明の実施例に係る水中プラズマ発生装置の誘電体を示した図である。
【図8】本発明の実施例に係る水中プラズマ発生装置の誘電体を示した図である。
【図9】本発明の実施例に係る水中プラズマ発生装置の誘電体を示した図である。
【図10】本発明の実施例に係る水中プラズマ発生装置の誘電体を示した図である。
【図11】本発明の実施例に係る水中プラズマ発生装置の誘電体のまた他の実施例を概略的に示した断面図である。
【図12】本発明の実施例に係る水中プラズマ発生装置でイオン分離部を通して分離されたイオンの移動方向を概略的に示した図である。
【図13】本発明の実施例に係る水中プラズマ発生装置に遮蔽部が適用された状態を概略的に示した断面図である。
【図14】本発明の実施例に係る水中プラズマ発生装置で複数個の磁性体がウェッジ構造に適用された状態を概略的に示した断面図である。
【図15】本発明の実施例に係る水中プラズマ発生装置で複数個の磁性体がウェッジ構造に適用された状態を概略的に示した断面図である。
【図16】本発明の実施例に係る水中プラズマ発生装置に補助磁性体が適用された状態を概略的に示した断面図である。
【図17】本発明の実施例に係る水中プラズマ発生装置に分岐部が設けられた状態を概略的に示した断面図である。
【図18】本発明の実施例に係る水中プラズマ発生装置の金属性挿入物の他の実施例を概略的に示した断面図である。
【図19】本発明の実施例に係る水中プラズマ発生装置を含む水素ステーションを概略的に示した概念図である。
【図20】本発明の実施例に係る水中プラズマ発生装置を含むプラズマ活性水製造システムを概略的に示した概念図である。
【発明を実施するための形態】
【0042】
以下においては、添付の図面を参照して多様な実施例をより詳細に説明する。本明細書に記載の実施例は、多様に変形され得る。特定の実施例が図面で描写され、詳細な説明で詳しく説明され得る。しかし、添付の図面に開示された特定の実施例は、多様な実施例を容易に理解するようにするためのものであるだけである。従って、添付の図面に開示された特定実施例により技術的思想が制限されるものではなく、発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての均等物または代替物を含むものと理解されるべきである。
【0043】
第１、第２等のように序数を含む用語は、多様な構成要素を説明するのに使用され得るが、このような構成要素は、上述した用語により限定されることはない。上述した用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ使用される。
【0044】
本明細書において、「含む」または「有する」等の用語は、明細書上に記載の特徴、数字、ステップ、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定するためのものであり、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、ステップ、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものの存在または付加可能性を予め排除しないものと理解されるべきである。ある構成要素が他の構成要素に「連結されて」いるとか、「接続されて」いると言及された時には、その他の構成要素に直接的に連結されているか、または接続されていてもよいが、中間に他の構成要素が存在してもよいと理解されるべきである。これに対して、ある構成要素が他の構成要素に「直接連結されて」いるとか、「直接接続されて」いると言及された時には、中間に他の構成要素が存在しないものと理解されるべきである。
【0045】
一方、本明細書において使用される構成要素に対する「モジュール」または「部」は、少なくとも一つの機能または動作を遂行する。そして、「モジュール」または「部」は、ハードウェア、ソフトウェアまたはハードウェアとソフトウェアの組み合わせにより機能または動作を遂行することができる。また、特定ハードウェアで遂行されなければならないか、少なくとも一つのプロセッサで遂行される「モジュール」または「部」を除く複数の「モジュールら」または複数の「部ら」は、少なくとも一つのモジュールに統合されてもよい。単数の表現は、文脈上、明らかに異なるように意味しない限り、複数の表現を含む。
【0046】
その他にも、本発明を説明するにあたって、関連した公知機能あるいは構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不要に濁す恐れがあると判断される場合、それについての詳細な説明は、縮約または省略する。
【0047】
図１及び図２を参照すると、本発明の実施例に係る水中プラズマ発生装置１（以下、「水中プラズマ発生装置１」という）は、一方向に移動中である作動流体に多量の微細気泡（Ｍｉｃｒｏ−Ｎａｎｏ Ｂｕｂｂｌｅ）を発生させ、これを利用して連続的にプラズマを発生させることができるプラズマ発生装置であって、リアクター１０を含む。
【0048】
リアクター１０は、誘電率を有する誘電性素材で作製され、内側に作動流体が通過され得る管形の構造に形成される。例えば、誘電性素材は、透光性多結晶質セラミック、エンジニアリングプラスチック、アクリル、タンタル（Ｔａｎｔａｌｕｍ）、クォーツ、パイレックス（登録商標）、ファイバーグラス、クリスタル等に適用され得る。
【0049】
さらに詳細には、リアクター１０は、一側に作動流体が流入する流入口が形成され、他側に作動流体が流出する流出口が形成され、内側に長手方向に沿って流入口と流出口を連結して作動流体が通過可能な流路が形成される管形構造に形成される。
【0051】
さらに詳細には、流路は、流入口と連結されて外部から作動流体が流入し、誘電性挿入物２０により空洞現象が発生する第１流路１１と、流出口と連結され、リアクター１０の軸方向に沿って第１流路１１に対向する位置に形成され、誘電性挿入物２０を通過してプラズマに露出されてイオン化された作動流体が流れる第２流路１２、及び、第１流路１１と第２流路１２との間に形成されて第１流路１１及び第２流路１２を互いに連通させ、第１流路１１及び第２流路１２に比して相対的に小さな内径の大きさに形成され、誘電性挿入物２０が収容される第３流路１３を含むことができる。
【0052】
ここで、プラズマに露出されてイオン化された作動流体が流れる第２流路１２は、楕円構造に形成される。
【0053】
さらに詳細には、空洞現象が発生する第１流路１１とプラズマに露出されてイオン化された作動流体が流れる第２流路１２は、互いに異なる形状に形成され得る。
【0054】
図４を参照すると、空洞現象が発生する第１流路１１は、水平方向側直径ＨＤと垂直方向側直径ＶＤが同一である正円構造に形成され（図４の（ａ））、イオン化された作動流体が流れる第２流路１２は、水平方向側直径ＨＤが垂直方向側直径ＶＤに比してさらに大きな楕円構造に形成され得る（図４の（ｂ））。このとき、第２流路１２は、第１流路１１の領域内に収容される大きさに形成され得る。詳細には、第２流路１２の水平方向側直径ＨＤは、第１流路１１の水平方向側直径ＨＤに対応し、第２流路１２の垂直方向側直径ＶＤは、第１流路１１の垂直方向側直径ＶＤより小さな大きさに形成され得る。しかし、第１流路１１と第２流路１２は、必ずしも互いに異なる形状に形成されるものではなく、必要に応じて同じ形状に適用され得る。
【0055】
一方、第２流路１２は、トラック型（ＴＲＡＣＫ ＴＹＰＥ）楕円構造に形成され得る。
【0056】
さらに詳細には、第２流路１２は、垂直方向に対向配置された複数個の平面区間Ｐ１と、水平方向に対向配置された複数個の曲面区間Ｐ２を含むトラック型楕円構造に形成され得る。
【0057】
従って、後述するイオン分離部３０を通して分離されたイオンは、トラック型楕円構造に形成された第２流路１２を移動して複数個の曲面区間Ｐ２側に密着し、これを通してイオン分離効率が極大化され得る。
【0058】
しかし、第２流路１２は、必ずしもこれに限定されるものではなく、必要に応じて正円構造あるいは多角形構造等に変更されて適用され得る。
【0059】
再び図２及び図３を参照すると、第２流路１２の長さＬ２は、第１流路１１の長さＬ１及び第３流路１３の長さＬ３よりさらに長く形成され、第１流路１１の長さと第３流路１３の長さが連結された長さよりさらに長く形成され得る。これを通して、イオン分離部３０を通して第２流路１２に形成される磁界区間をより長く形成し、イオン分離効率を極大化することができる。
【0060】
例えば、流路は、誘電性挿入物２０の外形に対応する形状に形成され、誘電性挿入物２０が収容される流路の一区間と、これに対応する誘電性挿入物２０の一区間は、多面体構造に形成され得る。これを通して、誘電性挿入物２０が流路内で回転することを予防して、後述する金属性挿入物２２及びホールディング挿入物２３に形成された貫通孔２０ａと誘電性挿入物２０に形成された貫通孔２０ａの位置が外れることを予防できる。また、第１流路１１の内径及び第２流路１２の内径は、互いに異なる大きさに形成され得る。これを通して、作業者が誘電性挿入物２０を流路に挿入する場合、第１流路１１と第２流路１２の混同を予防できる。しかし、流路は、必ずしもこれに限定されるものではなく、多様な形状に変更されて適用され得る。
【0061】
また、流路を形成するリアクター１０の内側には、係止ジョー１４及び案内面１５が形成され得る。
【0062】
さらに詳細には、第１流路１１及び第３流路１３の間には、作動流体の移動方向に沿って誘電性挿入物２０が係って支持される係止ジョー１４が形成され得る。そして、第２流路１２及び第３流路１３の間には、誘電性挿入物２０から吐出された後、第３流路１３側に逆流する作動流体と接触して、作動流体の移動を案内する案内面１５が形成され得る。
【0063】
ここで、案内面１５は、作動流体との接触時、抵抗力を最小化できるように、作動流体が逆流する方向に向かって弧形状に曲げられた曲面または直線形状に傾斜した傾斜面の構造に形成され得る。これによって、誘電性挿入物２０から吐出されて逆流する作動流体を円滑に誘電性挿入物２０側に案内することはもちろん、逆流する作動流体とリアクター１０の内面間の摩擦を最小化してリアクター１０の損傷を予防できる。
【0064】
また、リアクター１０の外面には、後述するイオン分離部３０が安着可能な安着支持溝１６が形成され得る。
【0065】
安着支持溝１６は、第２流路１２に対応するリアクター１０の外面に形成され、リアクター１０の外面から流路に向かって予め設定された深さに陥没して形成され得る。そして、安着支持溝１６は、後述するイオン分離部３０の第１磁性体３１及び第２磁性体３２が互いに対向配置され得るようにリアクター１０の軸方向に対して垂直な方向に沿ってリアクター１０の一側及び他側にそれぞれ形成され得る。これによって、安着支持溝１６に安着したイオン分離部３０は、第２流路１２に対応する位置に配置され、リアクター１０の軸方向への流動が制限され得る。例えば、安着支持溝１６は、第２流路１２が形成された区間と同じ長さに形成され得る。従って、リアクター１０の長手方向に沿って安着支持溝１６が形成された区間の長さは、第１流路１１及び第２流路１２が形成された区間の長さよりさらに長く形成され、これを通してイオン分離部３０の磁界区間を増大させてイオン分離効果を向上させることができる。
【0066】
また、流入口及び流出口が形成されるリアクター１０の一側及び他側端部には、それぞれ他の部品との連結のために外周面にねじ山が形成された複数個の締結部が備えられ得る。例えば、リアクター１０の内部に流入する高圧の作動流体に耐えるために、流入口側の締結部の長さは、流出口側の締結部の長さよりさらに長く形成され得る。そして、流入口の内径は、流出口の内径よりさらに大きく形成され得る。しかし、締結部の長さ及び内径の大きさは、これに限定されるものではなく、多様な形態及び構造に変更されて適用され得る。
【0067】
また、リアクター１０の各締結部には、他の部品との連結時、作動流体の漏水を予防できるように他の部品と締結部との間の気密を維持するパッキング部材（図示しない）が設けられ得る。例えば、パッキング部材は、Ｏリング（Ｏ−ｒｉｎｇ、Ｏ字形ゴムリング）またはガスケット形態に形成され得る。しかし、パッキング部材は、必ずしもこの形状に限定されるものではなく、多様な形態に変更されて適用され得る。
【0068】
また、リアクター１０には、図５に示されたように、後述する金属性プローブ４０を挿入可能なプローブ挿入孔４１がさらに形成され得る。プローブ挿入孔４１は、プローブ４０の外面に対応する大きさに形成され、リアクター１０の表面から第２流路１２まで連通されるようにリアクター１０を貫通して形成され得る。
【0069】
また、リアクター１０には、プローブ挿入孔４１を選択的に開閉することのできる開閉部材（図示しない）がさらに備えられ得る。
【0070】
開閉部材は、プローブ挿入孔４１に挿入される挿入部、及び挿入部の外側に備えられて挿入部がプローブ挿入孔４１に挿入される場合、リアクター１０の外面に支持される支持部を含むことができる。例えば、開閉部材は、リアクター１０と同一の誘電性素材で形成されるか、所定の弾性力を有する気密性素材で形成され得る。
【0071】
従って、リアクター１０に金属性プローブ４０が設けられない場合、作業者は、開閉部材をプローブ挿入孔４１に挿入してプローブ挿入孔４１を閉鎖させ、これを通してプローブ挿入孔４１に作動流体が流出することを予防できる。
【0072】
しかし、開閉部材は、必ずしもこれに限定されるものではなく、同じ機能を果たすことのできる条件内で多様な形態に変更されて適用され得る。
【0073】
また、本水中プラズマ発生装置１は、誘電性挿入物２０を含む。
【0075】
さらに詳細には、誘電性挿入物２０は、流路に配置されて流路を一側及び他側空間に区画する。そして、誘電性挿入物２０の内側には、区画された複数個の空間（第１流路１１及び第２流路１２）を互いに連通させ、第１流路１１に比して断面の幅が相対的に小さな貫通孔２０ａが形成される。ここで、第１流路１１の直径と貫通孔２０ａの直径の比率は、１０：１の比率に適用されることが好ましくあり得る。しかし、第１流路１１の直径と貫通孔２０ａの直径の比率は、必ずしもこれに限定されるものではなく、１０：０．５〜１０：４の少なくともいずれか一つの大きさに適用され得る。また、第１流路１１に収容される誘電性挿入物２０の一側には、作動流体の流入時、貫通孔２０ａに流入した作動流体と摩擦されて作動流体と共に貫通孔２０ａを通過する微細気泡に同種電荷を放出する金属性触媒（金属性挿入物２２）を備える。
【0076】
従って、図６に示されたように、リアクター１０の一側空間（第１流路１１）に流入した作動流体には、第１流路１１及び貫通孔２０ａの間で発生する空洞現象（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）により負電荷の表面電位を帯びる５μｍ以下の微細気泡が多量発生する。ここで、空洞現象によって発生する５μｍ以下の大きさに収縮した多量の微細気泡は、ゼータ電位（ｚｅｔａ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）特性によって表面に負電位が急増するようになる。そして、作動流体と共に貫通孔２０ａに流入して金属性触媒（金属性挿入物２２）を通過する多量の微細気泡は、表面電位の電荷（−電荷）と金属性触媒から放出される同種電荷（−電荷）との間の斥力により連続的に崩壊されて高密度のプラズマを発生させ、これを通して誘電性挿入物２０を通して吐出されて流路の他側空間（第２流路１２）に移動された作動流体は、高密度のプラズマに露出されてイオン化される。
【0077】
誘電性挿入物２０についてさらに詳細に説明する。
【0078】
図６及び図７を参照すると、誘電性挿入物２０は、予め設定された誘電率を有する誘電性素材で形成され、第１流路１１及び第３流路１３に対応する大きさに形成されて第１流路１１、第２流路１２及び第３流路１３にわたって収容され、内側に貫通孔２０ａが形成される誘電体２１を含むことができる。例えば、誘電体２１は、エンジニアリングプラスチック、アクリル、クォーツ、パイレックス、セラミック、ファイバーグラス及びクリスタル等のように所定の誘電率を有する多様な誘電性素材に適用され得る。
【0079】
また、誘電体２１は、流路内で配置される位置によって第１部分２１１、第２部分２１２及び第３部分２１３に区分され得る。
【0080】
第１部分２１１は、第１流路１１に対応する大きさに形成されて第１流路１１に収容され、作動流体が流入する場合、作動流体に加圧されて一面が係止ジョー１４に係って支持され得る。例えば、第１部分２１１は、後述する第２部分２１２及び第３部分２１３に比して断面の大きさがさらに広く形成され得る。即ち、第１部分２１１は、第１流路１１に対応する大きさに形成されて第１流路１１を形成するリアクター１０の内周面に支持されることはもちろん、作動流体の移動方向に沿ってリアクター１０の内側に形成された係止ジョー１４に係って支持されることで、作動流体の流入時にも作動流体の圧力により流動されず、安定して固定された状態を維持することができる。
【0081】
第２部分２１２は、第１部分２１１から軸方向に沿って予め設定された長さに延びて、第３流路１３に対応する大きさに形成されて第３流路１３に収容され得る。例えば、第２部分２１２は、第１部分２１１よりさらに長く形成されることが好ましくあり得る。
【0082】
また、第２部分２１２には、逆流した作動流体が収容可能な捕集溝２１４が形成され得る。
【0083】
捕集溝２１４は、後述する第３部分２１３から吐出されて第３部分２１３の表面に沿って第２部分２１２に向かって逆流する作動流体が流入し得るように、第２部分２１２の外周面から内側に向かって予め設定された深さに陥没して形成され得る。
【0084】
そして、捕集溝２１４は、図９に示されたように、第２部分２１２の外面に単一形態に形成されるか、図７、図８及び図１０に示されたように、第２部分２１２の長手方向に沿って複数個に形成され得る。ここで、第２部分２１２の長手方向に沿って複数個に形成された捕集溝２１４は、第２部分２１２の長手方向に沿って少なくとも２つ以上の位置に形成され得、等間隔に離隔されて配置され得る。
【0085】
一方、図７から図１０を参照すると、捕集溝２１４は、第３部分２１３から予め設定された距離だけ離隔された位置に形成され得る。即ち、第３部分２１３と隣接した位置に形成される捕集溝２１４と第３部分２１３との間には、捕集溝２１４と第３部分２１３を離隔させるブロック部２１２ａが備えられ、これを通して第３部分２１３の表面に沿って捕集溝２１４側に流入する作動流体の流入を最小化することができる。
【0086】
また、捕集溝２１４は、図１０に示されたように、Ｖ字またはＵ字等のように多様な形態に食刻されて形成され得る。
【0087】
これを通して、捕集溝２１４は、作動流体が収容可能な所定の空間を提供して作動流体が第１部分２１１に逆流することを低減させることはもちろん、作動流体が円滑に流出入可能な形態に形成されることで、捕集溝２１４に収容された作動流体が第３部分２１３を通して吐出される作動流体と共に合流されるようにしてプラズマ発生を加速化させることができる。
【0088】
しかし、第２部分２１２には、必ずしも捕集溝２１４が形成されなければならないものではなく、捕集溝２１４は、必要に応じて選択的に誘電体２１に形成され得る。
【0089】
再び、図６及び図７を参照すると、第３部分２１３は、第２部分２１２から軸方向に沿って予め設定された長さに延びて、第２部分２１２と同じ外形の大きさに形成されて第２流路１２に収容され得る。そして、第３部分２１３は、作動流体の移動方向に向かって直径の大きさが次第に減少する構造に形成され得る。
【0090】
即ち、第３部分２１３は、第２部分２１２から延びて第２流路１２に露出された状態で配置され、作動流体の移動方向に向かって直径の大きさが次第に減少する表面構造を通して、端部から吐出されて逆流する作動流体を第２部分２１２側に円滑に案内でき、これを通してプラズマ反応を加速させることができる。
【0091】
また、第２流路１２に露出された第３部分２１３の表面は、外側に向かって曲げられた曲面形状に形成され得る。従って、第３部分２１３を通して吐出されて逆流する作動流体は、曲面形状に形成された第３部分２１３の表面に沿って第２部分２１２側に移動され得る。
【0092】
しかし、第３部分２１３の表面形状は、これに限定されるものではなく、多様な構造及び形状に変更されて適用され得る。
【0093】
図８を参照すると、第３部分２１３の表面は、内側に向かって凹に曲げられた曲面形状に形成され得る。従って、第３部分２１３を通して吐出されて逆流する作動流体は、内側に向かって凹に曲げられた曲面形状の第３部分２１３の表面に沿って第２部分２１２側に移動され得る。また、第３部分２１３から吐出されて逆流する作動流体は、上述の第３部分２１３の表面形状構造及び第３部分２１３から連続的に吐出される作動流体の流れを通して加速化され得る。
【0094】
また、図９を参照すると、第３部分２１３の表面は、傾斜面の形態に形成され得る。従って、第３部分２１３を通して吐出されて逆流する作動流体は、傾斜面形状の第３部分２１３の表面に沿って第２部分２１２側に移動され得る。
【0095】
一方、貫通ホールが形成された誘電体２１の内部には、渦流突起２１５がさらに形成され得る。
【0096】
図７を参照すると、渦流突起２１５は、貫通孔２０ａを通過する作動流体に渦流が発生し得るように、誘電体２１の長手方向に沿って誘電体２１の内面全体に螺旋形状に突設され得る。これによって、誘電体２１の内部で微細気泡の発生がさらに活性化され得ることはもちろん、微細気泡の崩壊をさらに加速化させることができる。
【0097】
また、図１１を参照すると、誘電体２１の内部に形成された渦流突起２１５は、誘電体２１の一区間にのみ形成され得る。
【0098】
さらに詳細には、誘電体２１の内部に形成された渦流突起２１５は、誘電体２１の第１部分２１１と第２部分２１２の一部にわたって形成され得る。
【0099】
例えば、渦流突起２１５が形成された流路区間ａ１と渦流突起２１５が形成されていない流路区間ａ２は、誘電体２１の内部に１．３：１の比率に形成され得る。
【0100】
ここで、渦流突起２１５が形成されていない流路区間ａ２を形成する貫通孔２０ａは、作動流体の移動方向に沿って次第に広くなる構造に形成され得る。
【0101】
さらに詳細には、渦流突起２１５が形成されていない流路区間ａ２を形成する貫通孔２０ａは、渦流突起２１５が形成された流路区間ａ１と連通されて第２部分２１２に形成され、予め設定された長さだけ同じ直径の大きさを維持する第１貫通部２０ａ１と、第１貫通部２０ａ１から延びて第２部分２１２と第３部分２１３にわたって形成され、作動流体の移動方向に沿って直径の大きさが漸進的に増加する第２貫通部２０ａ２を含むことができる。
【0102】
例えば、第１貫通部２０ａ１と第２貫通部２０ａ２の連結部位は、作動流体の流れが円滑であり得るように曲面処理され得、第２貫通部２０ａ２は、作動流体の移動方向に沿って直径の大きさが漸進的に増加するように形成され、誘電体２１の半径方向側に湾曲した曲面形態に形成され得る。
【0104】
金属性挿入物２２は、第１流路１１に収容され、一面が誘電体２１に接触した状態で誘電体２１の前方に配置され、作動流体の流入時、作動流体と摩擦されて電子を放出し得る。例えば、金属性挿入物２２は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、ニッケル、銅、アルミニウム、白金、パラジウム、チタン等の多様な金属からなり得る。また、金属性挿入物２２は、予め設定された厚さに形成され、第１流路１１に対応する外形の大きさに形成され得る。また、金属性挿入物２２の内側には、作動流体が通過可能な貫通孔２０ａが形成され得る。例えば、貫通孔２０ａの内部には、螺旋形の溝が形成され、作動流体が通過する場合、作動流体に渦流現象（スクリュー現象）を誘導し得る。
【0105】
ホールディング挿入物２３は、第１流路１１に収容されて金属性挿入物２２の前方に配置され、金属性挿入物２２に接触した状態を維持することができる。そして、ホールディング挿入物２３は、作動流体の流入時、金属性挿入物２２から放出される電子をホールディング（ｈｏｌｄｉｎｇ）できるように所定の誘電率を有する誘電性素材で形成され得る。即ち、ホールディング挿入物２３は、金属性挿入物２２から発生する電子を蓄積する役割を果たすことができる。例えば、ホールディング挿入物２３は、エンジニアリングプラスチック（ＰＣ）、アクリル、クォーツ、パイレックス、セラミック、ファイバーグラス及びクリスタル等のように所定の誘電率を有する誘電性素材で形成され得る。また、ホールディング挿入物２３は、予め設定された厚さに形成され、第１流路１１に対応する外形の大きさに形成され得る。また、ホールディング挿入物２３の内側には、作動流体が通過可能な貫通孔２０ａが形成され得る。例えば、貫通孔２０ａの内部には、螺旋形の溝が形成され、作動流体が通過する場合、作動流体に渦流現象（スクリュー現象）を誘導し得る。
【0106】
また、本水中プラズマ発生装置１は、イオン分離部３０を含む。
【0107】
図３及び図１２を参照すると、イオン分離部３０は、誘電性挿入物２０を通過した作動流体が収容される流路の他側空間（第２流路１２）に対応するリアクター１０の外面に設けられる。そして、イオン分離部３０は、第２流路１２に磁界を形成して、誘電性挿入物２０を通過してプラズマに露出されてイオン化された作動流体からＨ＋イオン及びＯＨ−イオンを分離させる。
【0108】
ここで、リアクター１０に供給される作動流体は、比抵抗１０４Ωｃｍ以上の軽水（Ｈ２Ｏ）または軽水と重水（Ｄ２Ｏ）が混合された混合流体または軽水とメタノールまたは軽水とエタノールが混合された混合流体に適用され得る。しかし、作動流体は、これに限定されるものではなく、本水中プラズマ発生装置１を通過する場合、プラズマを発生させることのできる条件内で多様な流体に変更されて適用され得る。
【0109】
一方、図１３及び図１４を参照すると、リアクター１０の外面に接触した状態で配置されるイオン分離部３０の接触面ＣＳは、流路の他側空間（第２流路１２）の直径Ｄに対応するか、流路の他側空間（第２流路１２）の直径Ｄより大きな幅に形成される。
【0110】
即ち、安着支持溝１６に接触した状態で配置される接触面ＣＳは、第２流路１２と同じ平面積の大きさに形成されるか、第２流路１２に比して大きな平面積の大きさに形成され得る。
【0111】
ここで、安着支持溝１６に接触した接触面ＣＳは、第２流路１２に加えられる磁力の強度がより向上し得るように、流路の他側空間（第２流路１２）を形成するリアクター１０の内面から予め設定された距離Ｄ'だけ離隔され得る。
【0112】
さらに詳細には、接触面ＣＳは、リアクター１０の内面から最小４〜１１ｍｍの間の距離だけ離隔された位置に配置され得る。しかし、接触面ＣＳとリアクター１０の内面との間の離隔距離は、これに限定されるものではなく、リアクター１０の素材、リアクター１０の硬度、リアクター１０及び流路の大きさ等によって変更され得る。
【0113】
イオン分離部３０についてさらに詳細に説明する。
【0115】
ここで、複数個の磁性体３１、３２は、図１３に示されたように、リアクター１０の外面に設けられる場合、リアクター１０の外面の全体を囲むように形成されるか、図１４に示されたように、リアクター１０の外面の一部を囲むように形成され得る。例えば、各磁性体３１、３２は、半円筒形構造または棒形構造に形成され得る。
【0116】
複数個の磁性体は、第１磁性体３１と第２磁性体３２を含むことができる。
【0117】
さらに詳細には、複数個の磁性体は、Ｓ極性が第２流路１２に向かうようにリアクター１０の上側に配置される第１磁性体３１と、第１磁性体３１に対向配置され、Ｎ極性が第２流路１２に向かうようにリアクター１０の下側に配置される第２磁性体３２を含むことができる。しかし、複数個の磁性体は、必ずしもこれに限定されるものではなく、図面に示されたものとは異なり、第１磁性体３１と第２磁性体３２が互いに相反する位置に配置されてもよい。これを通して、イオン分離部３０で分離されて作動流体と共に移動されるイオンの方向を変更することができる。
【0118】
また、複数個の磁性体３１、３２は、ウェッジ（ＷＥＤＧＥ）構造に形成され得る。
【0119】
図１４を参照すると、複数個の磁性体３１、３２は、磁力の損失を最小化し、磁力の性質を向上させることができるように、第２流路１２に向かって断面の幅が次第に狭くなるウェッジ（ＷＥＤＧＥ）構造に形成され得る。ここで、複数個の磁性体３１、３２の各接触面ＣＳは、第２流路１２の直径に対応する大きさに形成され、ウェッジ構造を形成する各磁性体３１、３２の外面は、予め設定された角度αに傾斜するように形成され得る。例えば、各磁性体３１、３２の外面は、２０〜３０度の間の角度に傾斜するように形成され得る。そして、リアクター１０の外面に形成された安着支持溝１６は、ウェッジ構造に形成された各磁性体３１、３２の外面に対応する形状に形成され得る。
【0120】
参考までに、接触面ＣＳが第２流路１２の直径範囲を外れる広い平板形態の磁性体で第２流路１２に磁界を形成する場合、全体磁場は高くあり得るが、第２流路１２に適用される単位面積当たりの磁束密度が低くなるようになる。そして、磁束密度の大きさは、磁性体間の距離の二乗に反比例するようになる。
【0121】
従って、上述したように、第１磁性体３１と第２磁性体３２をウェッジ構造に形成して第１磁性体３１と第２磁性体３２との間の間隔を最小化し、第１磁性体３１と第２磁性体３２の各接触面ＣＳを第２流路１２の領域に一致させることで、高い磁束密度を得ることができる。そして、磁力の消失を最小化して第１磁性体３１と第２磁性体３２との間に均一な磁界を形成してイオン分離効率を向上させることができる。
【0122】
例えば、複数個の磁性体３１、３２は、ネオジム永久磁石あるいはサマリウムコバルト系永久磁石に適用され得、第２流路１２には、１０，０００ガウス（ＧＡＵＳＳ）以上の磁束が適用され得る。しかし、本水中プラズマ発生装置は、必ずしも上述した永久磁石形態の磁性体を利用して磁界を形成するのではなく、必要に応じて超伝導等のように高い磁束密度を得ることのできる磁界形成手段を利用して磁界を形成することができる。また、複数個の磁性体は、図面に示されたものとは異なり、第１磁性体３１と第２磁性体３２が互いに相反する位置に配置されてもよい。これを通して、イオン分離部３０で分離されて作動流体と共に移動されるイオンの方向を変更することができる。
【0123】
また、イオン分離部３０は、磁性体支持部３４をさらに含むことができる。
【0124】
図１５を参照すると、磁性体支持部３４は、各磁性体３１、３２の両側面を支持し、これを通して水平方向に各磁性体３１、３２の流動を制限することができる。
【0125】
また、イオン分離部３０は、遮蔽部３３をさらに含むことができる。
【0126】
図１３及び図１６を参照すると、遮蔽部３３は、第１磁性体３１及び第２磁性体３２を囲むように第１磁性体３１及び第２磁性体３２の外側に設けられ、第１磁性体３１及び第２磁性体３２を通して形成される磁界を遮蔽することができる。
【0127】
例えば、遮蔽部３３は、磁気力が外部空間に漏れないように、磁気力を遮断可能な金属性素材で形成され、リアクター１０の半径方向に沿って多層構造に形成され得る。
【0128】
また、遮蔽部３３は、第１磁性体３１及び第２磁性体３２を支持して第１磁性体３１及び第２磁性体３２の流動を制限でき、第１磁性体３１及び第２磁性体３２から選択的に脱去可能であるように、複数個の部品が相互締結された構造に形成され得る。
【0129】
例えば、遮蔽部３３は、ハウジング部とブラケット部を含むことができる。ハウジング部は、内部が中空された二重管形状に形成され、リアクター１０の軸方向に挿入されて複数個の磁性体３１、３２の外面を支持することができる。そして、ブラケット部は、内側にリアクター１０が貫通可能な貫通孔を形成してハウジング部の開口された両端部に結合されてハウジング部の開口部を閉鎖し、ハウジング部とリアクターの外面との間を気密して複数個の磁性体３１、３２が収容されたハウジング部の内部空間を密閉させ、複数個の磁性体３１、３２の両端部を支持することができる。
【0130】
しかし、遮蔽部３３は、必ずしもこれに限定されるものではなく、上型と下型とからなり、上型と下型の結合を通して複数個の磁性体３１、３２を囲む蓋形態、あるいは複数個のパネル型部材が相互結合を通して複数個の磁性体３１、３２を囲むパネル形態等、多様な形態に変更されて適用され得る。
【0131】
また、イオン分離部３０は、第１磁性体３１及び第２磁性体３２の磁力を極大化させる補助磁性体をさらに含むことができる。
【0132】
図１６を参照すると、補助磁性体は、第３磁性体３５及び第４磁性体３６を含むことができる。
【0133】
第３磁性体３５は、Ｓ極性が第２流路１２に向かうようにリアクター１０の上側に配置される第１磁性体３１の両側面に配置され、Ｓ極性が第１磁性体３１に向かうように配置され得る。そして、第４磁性体３６は、Ｎ極性が第２流路１２に向かうようにリアクター１０の下側に配置される第２磁性体３２の両側面に配置され、Ｎ極性が第２磁性体３２に向かうように配置され得る。ここで、第３磁性体３５及び第４磁性体３６は、第１磁性体３１及び第２磁性体３２と同じ磁力の大きさを有し得る。
【0134】
即ち、第２流路１２を中心に対向配置された第１磁性体３１及び第２磁性体３２の両側面に、第１磁性体３１及び第２磁性体３２と同じ磁力の大きさを有する複数個の補助磁性体（第３磁性体３５及び第４磁性体３６）を配置し、第１磁性体３１及び第２磁性体３２が第２流路１２に向かう極性と同じ極性が第１磁性体３１及び第２磁性体３２に向かうように複数個の補助磁性体（第３磁性体３５及び第４磁性体３６）を配置することで、第１磁性体３１及び第２磁性体３２の磁力を極大化することができる。
【0135】
例えば、第１磁性体３１が７，０００ガウスで着磁された場合、Ｓ極性が第１磁性体３１に向かうように同じ磁力の大きさ（７，０００ガウス）を有する第３磁性体３５を第１磁性体３１の両側面に配置させると、第１磁性体３１は、第２流路１２に向かって１４，０００ガウスの磁力を発生させることができる。
【0136】
また、本水中プラズマ発生装置１は、分岐部５０をさらに含むことができる。
【0137】
図１７を参照すると、分岐部５０は、リアクター１０の他側に設けられ、内側に第２流路１２と連通されて第２流路１２を通して流入した作動流体及びイオンを複数の方向に分岐させるように予め設定された角度βに分岐された複数個の分岐流路５１が形成され得る。これによって、分岐部５０は、複数個の分岐流路５１を通してイオン分離部３０を通して分離されたＨ＋イオン及びＯＨ−イオンを作動流体と共に互いに異なる方向に分岐させることができる。
【0138】
複数個の分岐流路５１は、Ｈ＋イオンが含まれた作動流体の移動を案内する第１分岐流路５１１と、水平方向に沿って第１分岐流路５１１に対向配置され、ＯＨ−イオンが含まれた作動流体の移動を案内する第２分岐流路５１２を含むことができる。
【0139】
ここで、複数個の分岐流路５１は、磁界区間が終了するリアクター１０の他側端部から作動流体の移動方向に沿って「＜」形状のように予め設定された角度に分岐されるように形成され得る。これを通して、プラズマの発生時、磁力により分離された不安定なイオン（水素と酸素（即ち、電子））が安定化（再結合）される時間を最小化して水素の生産効率を極大化することができる。しかし、複数個の分岐流路５１は、必ずしも磁界区間が終了するリアクター１０の他側端部から延びる構造に限定されるものではなく、磁界区間内から作動流体の移動方向に沿って予め設定された角度に分岐されて延びるように形成され得る。
【0140】
例えば、第１分岐流路５１１及び第２分岐流路５１２は、２６．５度〜３０度の角度に分岐され得る。
【0141】
また、本水中プラズマ発生装置１は、金属性プローブ４０をさらに含むことができる。
【0142】
図５の（ａ）を参照すると、金属性プローブ４０は、複数個で備えられ、第１磁性体３１及び第２磁性体３２が対向配置された方向に対して垂直な方向に対向配置され、リアクター１０を貫通して一部が流路の他側空間（第２流路１２）に収容され得る。従って、複数個の金属性プローブ４０にキャパシタ等を連結する場合、高電圧の電気エネルギーを獲得することができる。例えば、金属性プローブ４０は、銀、銅、アルミニウム、金、ニッケル及び銅等の多様な金属素材で形成され得る。
【0143】
一方、図５の（ｂ）を参照すると、流路の他側空間（第２流路１２）で、誘電性挿入物２０の端部と金属性プローブ４０との間の距離Ｄ１は、金属性プローブ４０とリアクター１０の端部との間の距離Ｄ２よりさらに長く形成され得る。
【0144】
また、図面には示されていないが、本水中プラズマ発生装置１は、浄水部（図示しない）、動力部（図示しない）、ポンプ（図示しない）、貯蔵タンク（図示しない）、流量調節部（図示しない）、蓄圧器（図示しない）、流体移動部（図示しない）、計測部（図示しない）及びコントロールパネル（図示しない）をさらに含むことができる。
【0145】
浄水部は、作動流体を浄水することができる。ここで、作動流体は、軽水または軽水と重水の混合流体または炭化水素系オイルまたは軽水とメタノールの混合流体または軽水とエタノールの混合流体等を使用することができ、仮に、軽水を使用する場合、比抵抗１０４Ωｃｍ以上の範囲で浄水されることが好ましくあり得る。また、軽水と重水が混合された混合流体を作動流体に使用する場合、重水を軽水に対比して０．０１％から１００％程度に配合して使用することが好ましくあり得る。また、炭化水素系オイル、またはミネラルオイル（Ｍｉｎｅｒａｌ Ｏｉｌ）を使用する場合、粘度が４０以下のものを使用することが好ましくあり得る。しかし、作動流体は、これに限定されるものではなく、本水中プラズマ発生装置１を通過する場合、プラズマを発生させることのできる多様な流体に変更されて適用され得る。
【0146】
動力部は、浄水部で浄水された作動流体をリアクター１０の内部に供給するための動力を提供することができる。即ち、動力部は、動力部の一側に配置される後述するポンプを回転させ、作動流体をリアクター１０に予め設定された圧力で伝達することができる。例えば、動力部は、モータ等に適用され得る。
【0147】
ポンプは、動力部の一側に配置され、動力部から動力の伝達を受けて、リアクター１０に作動流体を既設定された圧力で伝達することができる。例えば、ポンプの駆動によって、後述する貯蔵タンクに貯蔵された作動流体は、貯蔵タンクからポンプに伝達され、ポンプに伝達された作動流体は、リアクター１０に供給され得る。
【0148】
貯蔵タンクは、リアクター１０及び後述する温度調節部を通過した作動流体を貯蔵し、ポンプに作動流体を供給することができる。例えば、貯蔵タンクの内部には、循環して流入した作動流体の状態を安定化させるための隔壁が設けられ得る。また、貯蔵タンクには、温度調節のために熱交換器（図示しない）がさらに設けられ得る。
【0149】
流量調節部は、貯蔵タンクからリアクター１０に流入する中間に配置され、リアクター１０に流入する作動流体の流量を調節するように構成され得る。例えば、流量調節部は、ポンプとリアクター１０との間に配置され得る。
【0150】
蓄圧器は、流量調節部とリアクター１０との間に設けられ、作動流体が一定に流れずプラズマが瞬間的に切れてまた発生する脈動現象を防止できる。例えば、蓄圧器は、脈動現象を低減するために２台以上設けられることが好ましくあり得る。
【0151】
流体移動部は、浄水部、リアクター１０及び貯蔵タンク等、上述したそれぞれの装置を互いに連結する配管形態に形成され、内部に作動流体が循環され得る流路が形成され得る。例えば、流体移動部は、誘電性素材で形成され得る。
【0152】
計測部は、リアクター１０の入口、出口及び流体移動部の少なくともいずれか一箇所に配置され、作動流体の圧力及び温度を計測することができる。これを通して、計測された作動流体の圧力及び温度は、作動流体の圧力及び温度を制御する用途に使用され得る。例えば、リアクター１０の入口で測定された作動流体の温度及び圧力がプラズマ発生に十分な圧力及び温度に達していない場合、ポンプ（図示しない）を制御して圧力を高めることができる。そして、後述する温度調節部（図示しない）で作動流体の温度を低減させることを中止させることができる。また、温度調節部に流入する流体移動部に配置された計測部は、作動流体の温度を測定して、リアクター１０の内部で摩擦熱及びプラズマ発生によって上昇した作動流体の温度を測定することができる。そして、測定された温度は、温度調節部で作動流体の温度を調節するデータとして使用され得る。
【0153】
コントロールパネルは、本水中プラズマ発生装置１をつけたり消したりすることができる電源装置、及び作動流体の圧力及び温度を調節できる操作装置を含むことができる。そして、コントロールパネルは、上述した計測部により計測される圧力及び温度を表示できるディスプレイパネルをさらに含むことができる。
【0155】
参考までに、作動流体の流れ、作動流体の流れと連係される各挿入物の作用、微細気泡の形成過程及び崩壊過程を説明するための各構成については、説明の便宜上、本水中プラズマ発生装置１を説明しながら使用した図面符号を同一に使用し、同一または重複した説明は省略する。
【0156】
まず、誘電性挿入物２０を通した作動流体の流れ、作動流体の流れと連係される各挿入物の作用、微細気泡の形成過程及び崩壊過程を説明する。
【0157】
図３及び図６の（ａ）を参照すると、リアクター１０の第１流路１１を通して誘電性挿入物２０、金属性挿入物２２及びホールディング挿入物２３を順に挿入する。誘電性挿入物２０を挿入する時には、第３部分２１３が先に第１流路１１に挿入され得るように挿入する。
【0158】
本水中プラズマ発生装置１を作動させると、高圧の作動流体がリアクター１０の流入口側に流入する。このとき、作動流体が高圧で流入するので、誘電性挿入物２０、金属性挿入物２２及びホールディング挿入物２３を順に密着させる。
【0159】
作動流体は、リアクター１０の内部に流入して直線で貫通ホールに向かって流れる第１流れｆ１と、第１流れｆ１の間で渦流が形成される第２流れｆ２を形成することができる。作動流体が流れるリアクター１０の第１流路１１の直径より誘電性挿入物２０、金属性挿入物２２及びホールディング挿入物２３に形成された貫通孔２０ａの直径が相対的に非常に狭いため、ホールディング挿入物２３の貫通孔２０ａの近くで貫通孔２０ａに流入しなかった作動流体は渦流を形成する第３流れｆ３を有し得る。そして、第３流れｆ３は、また第１流れｆ１に組み込まれて貫通孔２０ａの内部に流入し得る。
【0160】
貫通孔２０ａの内部に流入した作動流体は、金属性挿入物２２、ホールディング挿入物２３及び誘電性挿入物２０の貫通孔２０ａの内部に形成された螺旋形の溝等により渦流を形成する第４流れｆ４を形成することができる。そして、貫通孔２０ａの内部に流入した作動流体は、金属性挿入物２２と摩擦して流れるようになる。このような摩擦により金属性挿入物２２から大量の電子が放出される。金属性挿入物２２から放出された電子の一部は作動流体と共に流れていき、放出された電子の他の一部はホールディング挿入物２３に蓄積されるようになる。
【0161】
貫通孔２０ａの内部に流入した作動流体は、非常に狭くなった直径のため空洞現象により微細気泡を形成することができる。このような微細気泡は、貫通孔２０ａの内部を通りながらさらに多く形成される。また、形成された微細気泡は作動流体内に留まり、作動流体が誘電性挿入物２０の貫通孔２０ａを通過する場合、崩壊され得る。微細気泡の崩壊と作動流体に帯電した電子により誘電性挿入物２０の第２部分２１２の貫通孔２０ａ及び第２流路１２でプラズマが主に発生する。
【0162】
ここで、微細気泡は、多くは直径５０μｍ以下の大きさを持つ気泡を意味する。微細気泡は、気液界面により囲まれて形成され、その界面に水の表面張力が作用する。表面張力は、気泡内部を圧縮する力で作用し得る。環境圧力による気泡内部の圧力上昇は、理論的に下記の式１により求めることができる。
【0163】
＜式１＞ ΔＰ＝４σ／Ｄ
【0164】
ここで、ΔＰは圧力上昇の程度であり、σは表面張力、Ｄは気泡直径である。
【0165】
【表1】
【0166】
表１を参照すると、直径が約１０μｍである微細気泡は、約０．３気圧の内部圧力を有し、直径が１μｍである微細気泡は、約３気圧の圧力を有する。また、界面には、イオン濃度が増加するようになる。このような微細気泡が崩壊（Ｃｏｌｌａｐｓｅ）するとき、約４０ＫＨｚの超音波と約１４０ｄｂの高い音圧、そして４０００℃から６０００℃に達する瞬間的な高熱が発生する。このような超音波、高い音圧及び瞬間的な高熱と作動流体内の浮遊電子により微細気泡が崩壊しながらプラズマが発生する。
【0167】
オイルまたは水等の流体の場合、作動流体の走行速度が速くなり、局部圧力が蒸気圧より低くなると、作動流体が水蒸気化されて空洞（ｃａｖｉｔｙ）が発生する。
【0168】
通常の気泡は、水面に上昇して表面で破裂するが、原子や分子の大きさに近いマイクロ（μｍ）ナノサイズになると、同じ物質でも異なる行動や性質を有するようになるが、気泡でも同じ現象がある。５０μｍ（０．０５ｍｍ）以下の微細気泡は、水中で縮小されてついに消滅するが、この過程で核生成（ｎｅｃｌｅａｔｉｏｎ）、気泡成長、そして適切な条件での内破崩壊等、最小限３つの連続的なステップを経る。
【0169】
この過程で、微細気泡は、それ以上自身を維持するためにエネルギーを吸収できない程度に過大成長し、「急激な崩壊」を通して猛烈に内破され、この崩壊ステップの間に放出される温度と圧力は、閉じ込められていた気体の分子が割れる程度におびただしく上昇するが、これは「均一超音波化学」の基礎となる現象でもある。
【0170】
また、微細気泡は、電荷を帯びており、周辺に電場によって上昇しながらジグザグに運動をする。このとき、微細気泡そのものが微細な振動を起こすが、「自己加圧効果」により１μｓｅｃ（１／１，０００，０００秒）程度の短い時間での圧縮と崩壊の連鎖反応を繰り返す。
【0171】
また、自己加圧効果は、球形の界面を有する微細気泡内部で表面張力が気体を圧縮する力により発生するが、膨張または崩壊するとき、崩壊する気泡内部の強力な圧力と温度は、核反応を触発させる程度に高くなる。このとき、微細気泡の内部温度は、太陽の表面温度に匹敵する５，５００℃まで瞬間的に上昇し、微細気泡の壁の崩壊（内破）速度は７，０００ｍ／ｓｅｃまで加速され、その衝撃波は１１，０００ｍ／ｓｅｃに達し、２０，０００Ｋ〜３０，０００Ｋ（ケルビン温度）まで達する強烈な光を発するが、これがすなわちプラズマの発生である。
【0172】
このような微細気泡の破壊力は、水または他の流体と関連した日常生活でもよく現れている。例えば、水中でプロペラの回転によりプロペラまたは船体表面に流れる流体の走行速度が速くなり、局部圧力が蒸気圧より低くなることで空洞現象が生じ、この過程で数多くの微細気泡が発生し、生成と崩壊が連続で繰り返されるが、この微細気泡が崩壊する度に発生するおびただしいエネルギーは、金属プロペラと船体、ポンプ等の表面を毀損させるため、船舶の運航に莫大な支障をきたしている。このような結果を通して微細気泡の破壊力は証明されている。
【0173】
誘電性挿入物２０の貫通孔２０ａを通過した作動流体は、第３部分２１３の前方側、即ち、リアクター１０の流出口側に向かって放出されるようになる。放出される作動流体の一部は、第３部分２１３の表面に沿って第２部分２１２に向かって逆流する第５流れｆ５を形成し、放出される作動流体の他の一部は、第３部分２１３の前方側に流れる第６流れｆ６を形成する。
【0174】
第５流れｆ５による作動流体は、第３流路１３と誘電性挿入物２０の第２部分２１２の微細な隙間の間に流れ込み得る。先に言及したように、誘電性挿入物２０の第２部分２１２の直径は第３流路１３と対応するように形成され、誘電性挿入物２０の第２部分２１２とリアクター１０の第２流路１２が互いに密着するように誘電性挿入物２０がリアクター１０の内部に挿入されなければならない。そうでない場合、多くの量の作動流体が第３流路１３を通して逆流し、プラズマ発生の効率が低下し得る。
【0175】
第３流路１３と誘電性挿入物２０との間に逆流した作動流体は、誘電性挿入物２０の第２部分２１２に形成された捕集溝２１４に流入するようになる。流入した作動流体は、捕集溝２１４に留まっていて、第６流れｆ６が強くなると、また第３流路１３と誘電性挿入物２０との間を通して第２流路１２側に抜け出ながら第６流れｆ６をさらに強化させることができる。この時には、捕集溝２１４に留まっていた作動流体に含まれた微細気泡が崩壊してプラズマをさらに多く発生させることができる。
【0176】
このように、捕集溝２１４は、逆流する作動流体が留まることのできる空間を提供すると同時に第２流路１２で発生するプラズマを強化させる２つの役割を全て果たすことができる。
【0177】
次に、他の実施例に係る誘電性挿入物２０を通した作動流体の流れ、作動流体の流れと連係される各挿入物の作用、微細気泡の形成過程及び崩壊過程を説明する。
【0178】
図６の（ｂ）に示されたリアクター１０の内部の誘電性挿入物２０、金属性挿入物２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ及びホールディング挿入物２３ａ、２３ｂ、２３ｃは、図５の（ａ）に示されたリアクター１０の内部と比較して誘電性挿入物２０の長さ、金属性挿入物２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ及びホールディング挿入物２３ａ、２３ｂ、２３ｃの個数のみが異なるだけで、他の構成要素は実質的に同一であるので、重複した説明を省略する。
【0179】
図６の（ｂ）を参照すると、リアクター１０の内部に挿入された誘電性挿入物２０は１個であり、金属性挿入物２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄは計４個であり、ホールディング挿入物２３ａ、２３ｂ、２３ｃは計３個である。しかし、金属性挿入物２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ及びホールディング挿入物２３ａ、２３ｂ、２３ｃの個数は、必要に応じて変更されて適用され得る。
【0180】
誘電性挿入物２０の第２部分２１２は、図６の（ａ）に示された誘電性挿入物２０と比較したとき、もう少し長く形成される。これは、誘電性挿入物２０の第２部分２１２側に第４金属性挿入物２２ｄがもう一つ挿入されるからである。具体的に、誘電性挿入物２０の第２部分２１２を貫通して第４金属性挿入物２２ｄが誘電性挿入物２０の前面側で先に挿入される。誘電性挿入物２０は、前面側に第４金属性挿入物２２ｄが差し込まれたままリアクター１０の内部に挿入される。従って、第３部分２１３の始まりの部分が第２流路１２から始まることができるように、第２部分２１２は、第４金属性挿入物２２ｄの厚さだけさらに長く形成され得る。ただし、図面に示されたものとは異なり、誘電性挿入物２０の第２部分２１２がもう少し長く形成されないこともあり得る。
【0181】
第４金属性挿入物２２ｄの内径は、誘電性挿入物２０の第２部分２１２の外径と対応し、第４金属性挿入物２２ｄの外径は、リアクター１０の内径に対応する。第４金属性挿入物２２ｄは、第１流路１１に差し込まれながら、前面側には係止ジョー１４と接触し、後面側には誘電体２１挿入物の第１部分２１１と接触する。
【0182】
第４金属性挿入物２２ｄが差し込まれた誘電性挿入物２０がリアクター１０の内部に挿入された後、第４金属性挿入物２２ｄを除く第１から第３金属性挿入物２２ａ、２２ｂ、２２ｃと第１から第３ホールディング挿入物２３ａ、２３ｂ、２３ｃが順に交互にリアクター１０の内部に挿入される。具体的に、誘電性挿入物２０、第３金属性挿入物２２ｃ、第３ホールディング挿入物２３ｃ、第２金属性挿入物２２ｂ、第２ホールディング挿入物２３ｂ、第１金属性挿入物２２ａ、第１ホールディング挿入物２３ａが順にリアクター１０の内部に挿入される。
【0183】
以下、作動流体の流れ及び作動流体の流れと連係される各挿入物の作用を説明する。
【0184】
図６を参照すると、リアクター１０の第１流路１１を通して、上述したように、誘電性挿入物２０、金属性挿入物２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ及びホールディング挿入物２３ａ、２３ｂ、２３ｃが挿入されたリアクター１０の内部に高圧の作動流体が流入する。
【0185】
作動流体は、上述したように、誘電性挿入物２０、金属性挿入物２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ及びホールディング挿入物２３ａ、２３ｂ、２３ｃに形成された貫通孔２０ａを通して流れる第１流れｆ１と、第１ホールディング挿入物２３ａの外面とぶつかって渦流が形成される第３流れｆ３を形成することができる。
【0186】
貫通孔２０ａの内部に流入した作動流体は、ホールディング挿入物２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、第１から第３金属性挿入物２２ａ、２２ｂ、２２ｃ及び誘電性挿入物２０の貫通孔２０ａに形成された螺旋形の溝等により渦流となる第４流れｆ４を形成することができる。
【0187】
第４流れｆ４は、第１ホールディング挿入物２３ａ、第１金属性挿入物２２ａ、第２ホールディング挿入物２３ｂ、第２金属性挿入物２２ｂ、第３ホールディング挿入物２３ｃ及び第３金属性挿入物２２ｃに順に接触する。これによって、各金属性挿入物２２ａ、２２ｂ、２２ｃから大量の電子が作動流体に流入し、放出された電子の一部はホールディング挿入物２３ａ、２３ｂ、２３ｃに蓄積され、放出された電子の他の一部は第４流れｆ４と共に第３部分２１３を通して放出される。
【0188】
第３部分２１３の前方側に向かって放出された作動流体の一部は、第３部分２１３の表面に沿って第２部分２１２に向かって逆流する第５流れｆ５を形成する。そして、第３部分２１３の前方側に向かって放出された作動流体の他の一部は、第３部分２１３の前方側に流れる第６流れｆ６を形成する。
【0189】
このとき、第５流れｆ５は、第３流路１３と誘電性挿入物２０の第２部分２１２の微細な隙間の間に流れ込み得る。第３流路１３と誘電性挿入物２０との間に逆流した作動流体は、誘電性挿入物２０の捕集溝２１４に流入する。
【0190】
そして、捕集溝２１４に流入した作動流体は、上述したように、第６流れｆ６が強くなると、また第３流路１３と誘電性挿入物２０との間を通して第２流路１２側に抜け出ることができる。
【0191】
一方、捕集溝２１４に流入した作動流体及び第３流路１３と誘電性挿入物２０の隙間に逆流した作動流体は、第１流路１１の内側端部に配置された第４金属性挿入物２２ｄと接触し、もう一度プラズマを形成することができる。具体的に、捕集溝２１４に流入した作動流体は、第３流路１３と誘電性挿入物２０の隙間に逆流した作動流体と会って第１流路１１側まで流入し得る。このとき、作動流体は、第１流路１１側の内側端部に配置された第４金属性挿入物２２ｄと接触して電子の供給を受けることができる。
【0192】
このような第４金属性挿入物２２ｄは、第５流れｆ５を通して第１流路１１側に流入した作動流体が誘電性挿入物２０と接触して発生し得る誘電性挿入物２０のすす及び損傷を減少させることができる。また、第４金属性挿入物２２ｄは、逆流した第５流れｆ５に電子を供給することでプラズマ発生をさらに加速させることができる。
【0193】
ここで、第４金属性挿入物２２ｄには、微細気泡の電子を拡散させることのできる拡散溝２２ｄ１がさらに形成され得る。
【0194】
さらに詳細には、図６の（ｂ）及び図１８を参照すると、リアクター１０の段差付けられた部位に接触した第４金属性挿入物２２ｄの一側には、端部から内側に向かって予め設定された角度αに傾斜した拡散溝２２ｄ１が形成され得る。
【0195】
これによって、第４金属性挿入物２２ｄ側に移動された微細気泡は、拡散溝２２ｄ１を通して第４金属性挿入物２２ｄの半径方向側に拡散されて第４金属性挿入物２２ｄと反応してプラズマを形成するようになり、これを通して安定した電圧分布が形成され得る。
【0196】
例えば、拡散溝２２ｄ１は、第４金属性挿入物２２ｄの一側端部から内側に向かって１６〜１９度の間の角度に傾斜するように形成され得る。しかし、拡散溝２２ｄ１は、これに限定されるものではなく、同じ機能を具現できる条件内で多様な形状及び角度に変更されて適用され得る。
【0197】
一方、図６を参照すると、リアクター１０の内部では、作動流体の流れによってプラズマが発生と消滅を繰り返し、複数の位置でプラズマが同時に発生することもあり得る。
【0198】
例えば、リアクター１０の内部で発生するプラズマは、発生する位置によって第１プラズマ、第２プラズマ及び第３プラズマに区分し得る。
【0199】
第１プラズマは、誘電性挿入物２０の捕集溝２１４に入っている作動流体で発生したプラズマである。先に言及したように、誘電性挿入物２０の端部から吐出された作動流体の一部は、捕集溝２１４側に逆流して捕集溝２１４に入っている。捕集溝２１４に入った作動流体は、捕集溝２１４の内部で誘電性挿入物２０の円周表面に沿って回転するようになる。このような回転過程で第１プラズマが発生し得る。
【0200】
第２プラズマは、捕集溝２１４の内部にあった作動流体が第３部分２１３の端部側に漏れ出ながら発生し得る。捕集溝２１４の内部にあった作動流体は、第３部分２１３の端部側から吐出される作動流体の流れに合流して、第３部分２１３の端部側に吐出される作動流体の流れを強化させることができるが、このような過程で第２プラズマが発生し得る。一方、第２プラズマは、捕集溝２１４の内部にあった作動流体が誘電性挿入物２０の第３部分２１３の外側に吐出される作動流体の流れを強化させるということを示す一例であるといえる。
【0201】
第３プラズマは、誘電性挿入物２０の貫通孔２０ａから第３部分２１３の端部に吐出される作動流体で発生し得る。第３プラズマは、貫通孔２０ａの内部から発生することもあり得る。そして、第３プラズマは、誘電性挿入物２０を抜け出した直後にも発生し得る。このような第３プラズマは、リアクター１０の内部で発生するプラズマの中で主なプラズマであるといえる。例えば、リアクター１０にキャパシタ等と連結された金属性プローブ４０を連結する場合、第３プラズマを通して電気エネルギーを獲得することができる。
【0203】
参考までに、本水中プラズマ発生装置１を含むアプリケーションを説明するための各構成については、説明の便宜上、本水中プラズマ発生装置１を説明しながら使用した図面符号を同一に使用し、同一または重複した説明は省略する。
【0204】
図１９を参照すると、本水中プラズマ発生装置１は、水素ガスを生産及び供給可能な水素ステーション２に適用され得る。
【0205】
水素ステーション２は、本水中プラズマ発生装置１及び水素ガス生成部２０１を含む。
【0206】
水素ガス生成部２０１は、本水中プラズマ発生装置１と連結され、本水中プラズマ発生装置１を通して分離されたＨ＋イオンが含まれた作動流体が貯蔵され得る。そして、水素ガス生成部２０１の内部には、内部に貯蔵された作動流体と化学的反応を起こし、作動流体から水素を気体に転換して分離させる触媒２０１１が備えられ得る。例えば、触媒２０１１は、鉛（Ｐｂ）またはロジウム（Ｒｈ）に適用され得る。しかし、触媒２０１１は、必ずしもこれに限定されるものではなく、同じ機能を果たすことのできる条件内で多様な物質に変更されて適用され得る。また、水素ガス生成部２０１の内部には、生成した水素ガスを精製する精製手段２０１２がさらに備えられ得る。これを通して、水素ガス生成部２０１の内部には、精製手段２０１２を中心に予め設定された基準純度以上の水素ガスと基準純度未満の水素ガスが区分された状態で貯蔵され得る。例えば、精製手段２０１２は、鉛成分を含むメンブレンフィルター（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｆｉｌｔｅｒ）に適用可能であり、水素ガス生成部２０１の内部には、メンブレンフィルターを中心にメンブレンフィルターを通して精製された９９．９７％純度以上の水素ガスと、メンブレンフィルターを通して精製できなかった９９．９７％純度未満の水素ガスが貯蔵され得る。また、水素ガス生成部２０１の一側には、水素が分離された作動流体が排出される排出口２０１３が形成され、排出口２０１３には、排出された作動流体を本水中プラズマ発生装置１に再供給するように構成された再供給管２０１４が備えられ得る。しかし、水素ガス生成部２０１は、必ずしもこれに限定されるものではなく、水素イオンが含まれた作動流体から高純度の水素ガスを生産できる多様な構成に変更されて適用され得る。
【0207】
また、本水素ステーション２は、水素ガス生成部２０１で生成した水素ガスを予め設定された圧力で圧縮するように構成される圧縮部２０２、圧縮された水素ガスが貯蔵される貯蔵部２０３、貯蔵部２０３に貯蔵された水素ガスを外部に供給するように構成される供給部２０４、及び本水中プラズマ発生装置１、水素ガス生成部２０１、圧縮部２０２、貯蔵部２０３及び供給部２０４を内部に収容可能な保管部２０５をさらに含むことができる。
【0208】
しかし、本水素ステーション２は、必ずしもこれに限定されるものではなく、本水中プラズマ発生装置１を利用して水素ガスを生成できる条件内で、多様な構成に変更されて適用され得る。
【0209】
このように、本水中プラズマ発生装置１を利用して水素ガスを自ら生産及び供給できる水素ステーション２を具現可能であることで、従来、大型製造施設で化石燃料を改質して水素ガスを生産した後、生産された水素ガスを特定場所に位置したステーションに供給する方式に比して、安全かつ容易に水素ガスを生産可能であることはもちろん、コストを飛び切り節減でき、小規模で多様な場所に具現可能であり、水素充填のためのインフラを構築することができる。
【0210】
図２０を参照すると、本水中プラズマ発生装置１は、プラズマ活性水を生産及び供給可能なプラズマ活性水製造システム３に適用され得る。
【0211】
プラズマ活性水製造システム３は、作動流体をイオン化させてプラズマ活性水に転換させる本水中プラズマ発生装置１、プラズマ活性水が貯蔵される活性水貯蔵部３０１及びプラズマ活性水を目的位置に供給する供給ライン３０２を含む。
【0212】
プラズマ活性水製造システム３に適用される本水中プラズマ発生装置１は、リアクター１０及び誘電性挿入物２０で構成され、微細気泡を通してプラズマを発生させると同時に内部で発生したプラズマを通して作動流体をイオン化させることで、プラズマ活性水を製造するようになる。
【0213】
活性水貯蔵部３０１は、本水中プラズマ発生装置１と連結され、本水中プラズマ発生装置１を通して生成したプラズマ活性水が貯蔵され得る。そして、活性水貯蔵部３０１には、後述する供給ライン３０２と連結され、プラズマ活性水が排出される排出口（図示しない）が形成され得る。例えば、活性水貯蔵部３０１には、内部に流入するプラズマ活性水をろ過可能なろ過手段（図示しない）と、プラズマ活性水を予め設定された温度に維持させることのできる温度制御手段（図示しない）がさらに備えられ得る。しかし、活性水貯蔵部３０１は、必ずしもこれに限定されるものではなく、多様な形態に変更されて適用され得る。
【0214】
供給ライン３０２は、活性水貯蔵部３０１と連結され、活性水貯蔵部３０１に貯蔵されたプラズマ活性水を予め設定された目的地点に供給するように構成され得る。例えば、供給ライン３０２は、単一管形態に形成されるか、連結された目的地点によって分岐された多重管形態に形成され得る。そして、供給ライン３０２には、プラズマ活性水の供給を制御できるように制御バルブ（図示しない）がさらに備えられ得る。
【0215】
しかし、プラズマ活性水製造システム３は、必ずしもこれに限定されるものではなく、本水中プラズマ発生装置１を利用してプラズマ活性水を生産及び供給できる条件内で、多様な構成に変更されて適用され得る。
【0216】
このように、本水中プラズマ発生装置１を利用してプラズマ活性水を自ら生産及び供給できるプラズマ活性水製造システム３を具現可能であることで、従来、農畜水産業で二酸化炭素やオゾンを溶解させて使用していた溶解水をプラズマ活性水に代替可能であり、大規模で使用可能であることはもちろん、コストを節減でき、さらにプラズマ活性水を通して栽培または養殖された製品の品質を向上させ、環境汚染を最小化することができる。
【0217】
このように、本発明の実施例によれば、従来の気体プラズマ発生装置のように数千〜数万ボルト以上の高電圧を利用することなく、室温で作動流体を循環させるだけでプラズマを生成できることで、気体プラズマに比して高密度のプラズマを生成できることはもちろん、装置の構造を単純化してコストを節減することができる。
【0218】
また、音波発光（Ｓｏｎｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）または化学発光（Ｃｈｅｍｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）を通したプラズマの生成を排除して工程を簡素化でき、プラズマの損失率を最小化することができる。
【0219】
また、分離部３０及び金属性プローブ４０を排除した状態では、基本的にプラズマ活性水を製造することができ、必要に応じてイオン分離部３０または金属性プローブ４０を選択的に適用して水素イオンを分離するか、電気エネルギーを獲得可能であることで、水素ガス製造システムまたはプラズマ活性水製造システムまたはプラズマ発電システムに全て適用され得る。
【0220】
以上においては、本発明の好ましい実施例について図示して説明したが、本発明は、上述した特定の実施例に限定されず、特許請求の範囲において請求する本発明の要旨を外れることなく当該発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者により多様な変形実施が可能であることはもちろん、このような変形実施は、本発明の技術的思想や展望から個別的に理解されてはならないだろう。
【産業上の利用可能性】
【0221】
本実施例に係る水中プラズマ発生装置及びそれを含むアプリケーションは、水素ガス製造システム、プラズマ活性水製造システム、電気エネルギーを発生させる発電システム等に使用され得る。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4(a)】
【図4(b)】
【図5(a)】
【図5(b)】
【図6(a)】
【図6(b)】
【図7(a)】
【図7(b)】
【図8(a)】
【図8(b)】
【図9(a)】
【図9(b)】
【図10(a)】
【図10(b)】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【国際調査報告】