(57)【要約】【課題】大容積の領域で、超音波キャビテーションによる気泡を放電プラズマ化する。【解決手段】プラズマ発生装置１００は、概略直方体状の筐体１１と、筐体１１の底面付近に設けられた断面が矩形の導波管３１と、９個の超音波発生器２１とで構成されている。ここに被処理液体４０を導入して処理を行う。断面が矩形の導波管３１の上面には、その長手方向に沿って９個のスロット３１０が２列に設けられている。これは断面が矩形の導波管３１内部にＴＥ10モードの定在波を生じさせる。９個の超音波発生器２１は、その振動面が各々９個のスロット３１０と相対するように配置されている。９個のスロット３１０と９個の超音波発生器２１により、極めて広い領域、即ち大面積・大容積の領域に超音波キャビテーションを発生させ、多数の気泡を放電プラズマ化させることが可能となる。【選択図】図１
2006253056.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体内に液体を導入可能とし、複数個の超音波発生器と、複数個の電磁波アンテナとを有し、前記超音波発生器から超音波を発することにより前記筐体内の液体中に気泡を発生させ、電磁波アンテナから電磁波を放射することにより前記気泡にプラズマを発生させるプラズマ発生装置であって、
前記電磁波アンテナは導波管に形成された複数個のスロットアンテナであり、
前記複数個の超音波発生器は、各々、前記スロットアンテナに対応した位置であって前記液体中に振動面を配置したホーン型の振動子を有することを特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項２】
筐体内に液体を導入可能とし、複数個の超音波発生器と、複数個の放電電極とを有し、前記超音波発生器から超音波を発することにより前記筐体内の液体中に気泡を発生させ、前記各放電電極に電位を印加して放電させることにより前記気泡にプラズマを発生させるプラズマ発生装置であって、
前記筐体内を前記液体が流通可能となっており、
前記複数個の超音波発生器に連動する振動板が、前記液体の当該液体流通路に沿って設けられており、
前記複数個の放電電極は、前記液体流通路に沿って配置されていることを特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項３】
筐体内に液体を導入可能とし、筐体長手方向に配設された超音波発生器と、同方向に配設された電磁波放射体とを有し、前記超音波発生器から超音波を発することにより前記筐体内の液体中に気泡を発生させ、電磁波放射体から電磁波を放射することにより前記気泡にプラズマを発生させるプラズマ発生装置であって、
前記電磁波放射体は前記筐体長手方向に所定間隔毎に電磁波放射部を備え、前記超音波発生器は、各々、前記電磁波放射部に対応した位置であって前記液体中に振動面を配置した振動部を有することを特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項４】
筐体内に液体を導入可能とし、前記筐体の１面に配設された超音波発生器と、当該面に対抗して配設された放電電極とを有し、前記超音波発生器から超音波を発することにより前記筐体内の液体中に気泡を発生させ、前記放電電極に電位を印加して放電させることにより前記気泡にプラズマを発生させるプラズマ発生装置であって、
前記超音波発生器が取り付けられた筐体面が、超音波発生器によって連動される振動板として機能し、
前記放電電極が取り付けられた支持板が前記超音波発生器から発生する音波を反射する反射板として機能することを特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項５】
前記液体は、難分解性の有機化合物を含んだ水であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体内の気泡にプラズマを発生させるプラズマ発生装置に関し、例えばプラズマにより液体を化学的に処理する液体処理装置に適用できる。本発明は、特に、水中の難分解性の有機化合物を分解する装置として有効である。
【背景技術】
【０００２】
土壌中で分解され難い、微量の難分解性の有機化合物に汚染された地下水等の処理は、コスト面から実効的な処理方法が見つかっていない。例えば下記特許文献１に記載された装置は、例えば水中の有機物の分解の場合は反応力が強いＯＨラジカルを生じさせて、有害物質を分解することができる。しかし、特許文献１に記載された超音波発生器によって音響化学的に処理する方法では、加えるエネルギーの大きさに比して、水中の微小濃度の有機化合物の分解効率は決して高くなかった。一方、超音波発生器で超音波キャビテーションによる気泡を液体中に生じさせ、そこに高周波を照射して気泡中にプラズマを発生させることで、液体中の音響化学反応を効率化させる方法が開示されている（特許文献２及び３）。
【特許文献１】特開２０００−８４４０３
【特許文献２】特開２００３−２９７５９８
【特許文献３】特開２００４−３０６０２９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献２及び３の開示内容によれば、装置内のプラズマ発生領域が狭い領域に限られているので、実用的方法とは言えない。即ち、液体中にプラズマを発生させる周知の方法においては、プラズマ発生空間が数mm程度の狭い領域に限られているからである。しかし、液中プラズマがその中の化学反応を促進する有効な手段として実用化されるためには、長さ方向に数10cm以上のスケールの大面積・大容積プラズマを液体中に発生させる技術が不可欠である。
【０００４】
そこで本願発明は、超音波キャビテーションによる気泡の発生領域を大きくし、それに対応して大面積・大容積プラズマを液体中に発生させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するため、請求項１に記載の手段によれば、筐体内に液体を導入可能とし、複数個の超音波発生器と、複数個の電磁波アンテナとを有し、超音波発生器から超音波を発することにより筐体内の液体中に気泡を発生させ、電磁波アンテナから電磁波を放射することにより気泡にプラズマを発生させるプラズマ発生装置であって、電磁波アンテナは導波管に形成された複数個のスロットアンテナであり、複数個の超音波発生器は、各々、スロットアンテナに対応した位置であって液体中に振動面を配置したホーン型の振動子を有することを特徴とするプラズマ発生装置である。
【０００６】
また、請求項２に記載の手段によれば、筐体内に液体を導入可能とし、複数個の超音波発生器と、複数個の放電電極とを有し、超音波発生器から超音波を発することにより筐体内の液体中に超音波キャビテーションによる気泡を発生させ、各放電電極に電位を印加して放電させることにより気泡にプラズマを発生させるプラズマ発生装置であって、筐体内を液体が流通可能となっており、複数個の超音波発生器に連動する振動板が、液体の当該液体流通路に沿って設けられており、複数個の放電電極は、液体流通路に沿って配置されていることを特徴とするプラズマ発生装置である。
【０００７】
また、請求項３に記載の手段によれば、筐体内に液体を導入可能とし、筐体長手方向に配設された超音波発生器と、同方向に配設された電磁波放射体とを有し、超音波発生器から超音波を発することにより筐体内の液体中に気泡を発生させ、電磁波放射体から電磁波を放射することにより気泡にプラズマを発生させるプラズマ発生装置であって、電磁波放射体は筐体長手方向に所定間隔毎に電磁波放射部を備え、超音波発生器は、各々、電磁波放射部に対応した位置であって液体中に振動面を配置した振動部を有することを特徴とするプラズマ発生装置である。
【０００８】
また、請求項４に記載の手段によれば、筐体内に液体を導入可能とし、筐体の１面に配設された超音波発生器と、当該面に対抗して配設された放電電極とを有し、超音波発生器から超音波を発することにより筐体内の液体中に気泡を発生させ、放電電極に電位を印加して放電させることにより気泡にプラズマを発生させるプラズマ発生装置であって、超音波発生器が取り付けられた筐体面が、超音波発生器によって連動される振動板として機能し、放電電極が取り付けられた支持板が超音波発生器から発生する音波を反射する反射板として機能することを特徴とするプラズマ発生装置である。
【０００９】
また、請求項５に記載の手段によれば、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置において、液体は、難分解性の有機化合物を含んだ水であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、キャビテーションとプラズマを同時に広い領域で発生させ、ラジカルの発生量の相乗的な増大を図ることができる（請求項１乃至４）。これにより例えば水中の有機化合物の効率的分解ができる他に、液体処理以外に、例えば原料液体からのラジカル反応による合成が可能となる。
【００１１】
請求項１に記載の発明によれば、適宜導波管とスロットを設計することで、大面積のスロットアンテナを構成できる。これにより強力なマイクロ波を液体に入射させることができ、超音波キャビテーションでできた気泡の放電を効率的に起こし、多量の高密度マイクロプラズマを液体中に発生できる。この際、例えばパルスモードでマイクロ波を入射させることで、放電開始を容易にするとともに、マイクロ波による液体の加熱を抑えることができる。また、電磁波放射用の各スロットの位置と、各超音波発生器の振動面の位置を対応させて、電磁波と超音波の共鳴的な相互作用を起こさせ、効果的にプラズマを発生させることができる。  
【００１２】
請求項２に記載の発明によれば、液体の流通路に沿って超音波発生器に連動する振動板が設けられ、且つ放電電極が設けられているので、液体が流通するに従って、電磁波と超音波の共鳴領域を全て通過することとなる。これは液体の処理を複数段階行うことと同等であり、液体の効率的な処理を行うことができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明によれば、所定時間ごとに配置された電磁波放射部と、それに対応する位置に配置された振動部の振動面とを設けることで、大面積の超音波放射面と電磁波放射面とを確保することができ、大面積の範囲内で効果的にプラズマを発生することができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明によれば、超音波発生器によって連動される板と反射板との間で形成される音場を形成することで、超音波キャビテーションを発生させることができ、超音波キャビテーシ状態の気泡で放電プラズマ化することができる。
【００１５】
請求項５に記載の発明によれば、発生するラジカルは主として反応力が強いＯＨラジカルとなり、生態系で分解されないか、又は極めて分解されにくい塩素系有機化合物であっても、容易に分解することが可能となる。これにより例えば地下水に混入したトリクロロエチレン等の有害な揮発性有機物質等を分解する有効な方法および装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明における「超音波発生器」が発すべき超音波については、「超音波キャビテーション」が生じるように設定することが望ましい。これは超音波を液体に加えた際、発生した気泡が断熱圧縮によって圧壊するときにナノ秒の発光を繰返す現象を言う。この発光機構の詳細は未解明であるが、プラズマが発生している可能性も考えられている。このキャビテーションは液中の化学反応を促進する効果をもたらすものである。また、超音波発生器としては任意の公知の器具を用いることができる。例えばチタン酸ジルコン酸鉛の膜を用いたランジュバン振動子を用いると良く、被処理液体に接する振動板に連動させて用いても、又はいわゆるホーン型の振動子を被処理液体に浸して用いても良い。
【００１７】
電磁波又は放電によるプラズマ発生の条件は、処理すべき液体に応じて適宜設定される。
以下、図面を参照しながら本発明の具体的な実施例について述べるが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００１８】
図１は本発明の具体的な第１の実施例に係るプラズマ発生装置１００の構成を示す模式的断面図である。図１．Ａは導波管３１の長手方向に沿った模式的断面図、図１．Ｂ及び図１．Ｃは導波管３１の長手方向に垂直な異なる２箇所の面での模式的断面図である。
【００１９】
図１のプラズマ発生装置１００は、概略直方体状の筐体１１と、筐体１１の底面付近に設けられた断面が矩形の導波管３１と、９個の超音波発生器２１とで構成されている。本装置はこの筐体１１の内部に被処理液体４０を導入して処理を行う装置である。尚、図１では省略しているが、プラズマ発生装置１００には、任意の位置に被処理液体４０の導入口及び排出口を設けて良く、また必要に応じ、被処理液体４０を撹拌する装置を設けて良い。
【００２０】
断面が矩形の導波管３１の上面には、その長手方向に沿って９個のスロット３１０が２列に設けられている。詳細は図２．Ａに示す通りである。これは断面が矩形の導波管３１内部にＴＥ10モードの定在波を生じさせるように設計することから、当該定在波からの放射が効率的となるようにスロット位置を設計したものである。９個の超音波発生器２１は、その振動面が各々９個のスロット３１０と相対するように配置されている（図１．Ｂ及び図１．Ｃ）。被処理液体４０は９個の超音波発生器２１の振動面２１ａが被処理液体４０中に沈むように適量が筐体１１内に充填される。
【００２１】
図２．Ｂは、スロット３１０を有する導波管３１の構成の詳細を示す断面図である。導体から成る導波管筐体３１は、例えば周波数2.45GHzのマイクロ波に設計するためには、図２．Ｂにおいて横方向の長さを11cm、縦方向の長さを5.5cmとする。また、導体から成る導波管筐体３１には、上面に９箇所のスロット３１０を設けてある。スロット３１０は例えば上方から見た形状は矩形状とする。導波管３１の内部３１ａは空洞であるため、被処理液体が浸入しないようにスロット３１０は石英やセラミック等の誘電体層３１２で覆っておく。尚、誘電体層３１２は、空洞である導波管３１の内部３１ａの比誘電率に比して、極めて大きい比誘電率を有する被処理液体（例えば水の比誘電率は80）により、高周波がスロット界面で反射されることを防ぐ効果もある。また、導波管３１の終端３１ｅは金属板でショートされている。尚、図２．Ｃに示すように、導波管３１の内部３１ａに、石英を充填しても良い。この場合には、大きな電磁波を筐体１１に均一に放出することができる。また、導波管３１をコンパクトに構成できる。このとき、誘電体層３１２は、設けても設けなくても良い。
【００２２】
図１．Ａに示す通り、９個のスロット３１０と９個の超音波発生器２１により、極めて広い領域、即ち大面積・大容積の領域に超音波キャビテーションを発生させ、多数の気泡を放電プラズマ化させることが可能となる。
【００２３】
尚、超音波の放射面（超音波ホーン２１の表面）と電磁波の放射面（電磁波放射部としてのスロットアンテナ３１０）との間の距離は可変であり、超音波の減衰及び電磁波の減衰等を考慮して最適値（例えば５ｍｍ乃至数ｃｍ）を選択する。また、１台の超音波放射面のサイズは、直径が3cmから20cmであり、設置台数を増やすことによって全体としてメートル級の大容量プラズマに拡張することは容易である。また、必要に応じてスロット３１０の個数や設置間隔を調整することが出来る。すなわち、導波管３１の特性インピーダンスと整合がとれるように、スロット３１０のサイズ、個数、間隔を調整して、多数のアンテナから同じ強さで電磁波を放射するように制御できる。
【００２４】
スロット３１０の近傍が最も電磁界が強いので、スロット３１０と超音波発生器２１とを相対させることにより、最も強く超音波と電磁波を相互作用させることが出来る。尚、図１のプラズマ発生装置１００は、超音波を上から、電磁波を下から励起する例を示しているが、上下を反転したり、超音波と電磁波の少なくとも一方を横から励起する構成も可能である。筐体１１を円筒状または同軸円筒状とする場合は、上記の断面が矩形の導波管３１ではなく、円筒状の導波管や円筒空洞を用い、それらの壁にスロットを配置する方法が好ましい。
【００２５】
マイクロ波を連続モードで長時間入射すると、マイクロ波によって液体が加熱されることがあり、それが液中プラズマ生成に好ましくない場合もあり得る。そこで、このような加熱効果を抑制するために、マイクロ波の吸収率が小さいような周波数を選ぶことができる（周波数帯域：300MHzから12GHz）。また、パルスモードでマイクロ波を入射する方法も有効である。パルスモードでは、連続モードに比べてマイクロ波入射パワーのピーク値を桁違いに大きくでき、非常に強い電磁波をパルス的に照射することが可能になる。その結果、連続モードよりも容易に放電を起こすことができ、高密度のプラズマを発生させることができる。さらに、超音波も連続的な出力からパルス的な繰り返し出力として、電磁波のパルスの繰り返し周波数を超音波のパルスの繰り返し周波数と同期させることによって、効率的に両者の相互作用を起こすことができる。
【実施例２】
【００２６】
図３は、本発明の具体的な第２の実施例に係るプラズマ発生装置２００の構成を示す断面図である。図３のプラズマ発生装置２００は、直方体状の筐体１２を有し、長手方向の両端に被処理液体４０の導入路１２１と排出路１２２を設けて、図３．Ａの長手方向左から右へ被処理液体４０の液体流通路を形成する。また直方体状の筐体１２の１面である底板１２０は、ランジュバン振動子である超音波発生器２２と連動する振動板の役割を果たす。１０個の超音波発生器２２は、直方体状の筐体１２の底板１２０外側において、筐体１２の内部の被処理液体４０の液体流通路に沿って１列に配置されている。また、図３．Ａのように、直方体面状の反射板５０が、支持部材５１により直方体状の筐体１２の内部に支持されており、音波を反射する機能を有する反射板５０の底面５０ａには、被処理液体４０の液体流通路に向かって放電電極３２０が１０本配設されている。図３．Ｂのように、被処理液体４０は、筐体１２と反射板５０で囲まれた液体流通路の部分に存在することとなる。
【００２７】
こうして、反射板５０の底面が浸るように被処理液体４０を導入路１２１から供給する。供給量を適宜調整し、超音波発生器２２を稼働させて筐体１２の底板１２０と反射板５０の底面５０ａとの間に音場を形成し、超音波キャビテーションを発生させる。放電電極３２０から高周波を印加して、超音波キャビテーション状態の気泡を放電プラズマ化する。被処理液体４０を導入路１２１から追加供給することで、流通路に沿って順次被処理液体４０は処理され、例えば水中の有機化合物が分解されて、排出路１２２から排出される。尚、直流放電（〜50V）は、水溶液では電気分解が起こってしまうので使用できない。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、少量又は微量の難分解性の有機化合物を含む水の処理に有効であり、又は原料液体からのラジカル反応によるカーボンナノチューブ、カーボンナノフレーク、カーボンナノウォール等の合成法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の具体的な第１の実施例に係るプラズマ発生装置１００の構成を示す断面図。
【図２】２．Ａは、プラズマ発生装置１００の導波管３１の構成の詳細を示す斜視図、２．Ｂは、プラズマ発生装置１００の導波管３１の構成の詳細を示す断面図。
【図３】本発明の具体的な第２の実施例に係るプラズマ発生装置２００の構成を示す断面図。
【符号の説明】
【００３０】
１００、２００：プラズマ発生装置
１１、１２：筐体
１２０：振動板である筐体底板
１２１：導入路
１２２：排出路
２１、２２：超音波発生器
３１：導波管（導波路）
３１０：スロットアンテナ
３１１：導体から成る導波管筐体
３１２：誘電体層
３２０：放電電極
４０：被処理液体
５０：反射板
５１：反射板支持部材
【図１】
2006253056.tif 000003
【図２】
2006253056.tif 000004
【図３】
2006253056.tif 000005