(57)【要約】【課題】放電電極間のプラズマ発生領域を、簡単に拡げることのできるソリューションプラズマ放電装置を提供する。【解決手段】本発明のソリューションプラズマ放電装置は、線電極からなる放電電極１ａと針電極からなる放電電極１ｂを備えており、放電電極１ｂは、放電電極１ａの長手方向に対して傾斜して配置されている。これにより、放電電極１ａ・１ｂ間の距離を長くしても、放電電極１ａ・１ｂ間の印加電圧を上げずに、電圧を印加するだけでプラズマ１３を発生することができ、プラズマ発生領域１４を拡げることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体中に配置された１対の放電電極を備え、放電電極間に電圧を印加し放電させることにより、放電電極間にプラズマを発生させるソリューションプラズマ放電装置において、
上記１対の放電電極の一方が線電極であり、他方が針電極であり、
上記針電極は、上記線電極の長手方向に対して傾斜して配置されていることを特徴とするソリューションプラズマ放電装置。
【請求項２】
上記プラズマ発生中、上記針電極の先端から針電極の延長線と線電極との交点までの距離が一定であることを特徴とする請求項１に記載のソリューションプラズマ放電装置。
【請求項３】
上記針電極の延長線上に、上記線電極の中間部が配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のソリューションプラズマ放電装置。
【請求項４】
上記針電極は、上記線電極の長手方向に対して、垂直に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のソリューションプラズマ放電装置。
【請求項５】
上記線電極は、長手方向に伸縮自在になっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のソリューションプラズマ放電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放電電極間のプラズマ発生領域を、簡単に拡げることのできるソリューションプラズマ放電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマを利用した技術の中に、液体中でプラズマを発生させて、これを工業的に応用する技術が開発されつつある。このような液体中のプラズマは、主に溶液中で利用されるので「ソリューションプラズマ」と呼ばれる。
【０００３】
ソリューションプラズマは、溶液中に対向配置された２つの放電電極間に電圧（高電場）を印加することにより、放電電極間に発生するプラズマである。発生したプラズマの周囲には気泡が発生し、その気泡がプラズマを取り囲んでおり、その気泡の周囲を溶液が取り囲んでいる。つまり、ソリューションプラズマには、プラズマ／気相，気相／液相という２つの界面が存在するという特徴がある。このように、ソリューションプラズマは、プラズマによる「高エネルギー状態」を溶液内に閉じ込めるという状態を実現している。これにより、プラズマの周囲の気相、液相またはその界面で様々な化学反応が促進される。この化学反応による産業への応用として、水処理、滅菌、廃棄物処理、新物質創製、物質の新規合成法の開発、表面改質、超高速加工、希少金属回収、超機能溶液、及び養殖等を含む生物培養等が挙げられる。
【０００４】
非特許文献１には、ソリューションプラズマを用いた金ナノ微粒子の合成反応が記載されている。図７は、非特許文献１に記載されたソリューションプラズマ放電装置（ソリューションプラズマ発生装置）１２１を示す断面図である。ソリューションプラズマ放電装置１２１は、対向する２つのワイヤ状金属電極１０１・１０１を備えており、各ワイヤ状金属電極１０１・１０１がホルダ１１０・１１０によって容器１１１に固定されている。また、容器１１１内の溶液１１２として、塩化金酸水溶液が用いられている。ソリューションプラズマ放電装置１２１では、ワイヤ状金属電極１０１・１０１間にパルス電圧を印加すると、ワイヤ状金属電極１０１・１０１間にプラズマ１１３が発生する。これにより、溶液１１２（塩化金酸水溶液）中の金を還元し、直径１０〜１５ｎｍの金ナノ微粒子が合成される。
【０００５】
しかし、ソリューションプラズマ放電装置１２１は、ワイヤ状金属電極１０１・１０１間の距離を大きくすると、プラズマ発生に必要とされる印加電圧（プラズマ放電開始電圧）が、その距離に応じて大きくなる。印加電圧が大きくなると、ワイヤ状金属電極１０１・１０１間に流れる電流も大きくなると共に、周囲の電界および磁界も大きくなる。その結果、溶液１１２中の温度上昇、電磁波ノイズの増大、およびプラズマ発光の増大につながるという問題がある。
【０００６】
そこで、この問題を解決するために、本願発明者等は、ソリューションプラズマ放電装置を、特許文献１に開示している。図８は、特許文献１に記載されたソリューションプラズマ放電装置２２１を示す断面図である。ソリューションプラズマ放電装置２２２は、２つの放電電極２０１ａ・２０１ｂが、シリコンゴム製の基板２０２に貫通するように固定された構成である。放電電極２０１ａは基板２０２に対して垂直に固定され凹部２０３に挿入されている。一方、放電電極２０１ｂは基板２０２に対して水平に固定され凹部２０３に挿入されている。放電電極２０１ｂは水平方向に位置を動かすことができ、放電電極２０１ａとの距離を調整できるようになっている。
【０００７】
ソリューションプラズマ放電装置２２２では、放電電極２０１ｂを放電電極２０１ａに近づけた状態で、これらの放電電極２０１ａ・２０１ｂ間に電圧を印加すると、領域Ｃでプラズマが発生する。プラズマにより発生した気泡は領域Ｃを含む凹部２０３を満たしてゆく。その後、放電電極２０１ｂを放電電極２０１ａから遠ざけると、領域Ｃはすでに気泡で満たされているため、プラズマ状態を維持したまま放電電極２０１ａ・２０１ｂ間の距離を長くすることができる。
【０００８】
従って、ソリューションプラズマ放電装置２２２は、印加電圧を上げることなく、プラズマ状態を維持したまま放電電極２０１ａ・２０１ｂ間の距離を長くすることができる。そしてこれは、放電電極２０１ａ・２０１ｂ間の距離あたりの電圧を下げることになり、流れる電流を減少させる。そのため、プラズマによる発熱、電磁波ノイズ、及びプラズマ発光の輝度を減少させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１０−９９９３号公報（２０１０年１月１４日公開）
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】高井治、「ソルーションプラズマによるナノ微粒子合成と界面制御」、粉砕、ホソカワ粉体技術研究所、２００７年１２月２８日、Ｎｏ．５１、ｐ．３０−３６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１のソリューションプラズマ放電装置は、放電電極間の距離を拡げるための処理が煩雑であるという問題がある。
【００１２】
具体的には、ソリューションプラズマ放電装置２２２では、放電電極２０１ａ・２０１ｂ間の距離を長くし、プラズマ発生領域を拡げるためには、多段階の処理が必要になる。すなわち、まず、放電電極２０１ｂを、放電電極２０１ａの先端部に近づけた状態で、凹部２０３内の領域Ｃで、プラズマを発生させる。次に、プラズマにより発生した気泡を、領域Ｃを含む凹部２０３内に満たす。続いて、放電電極２０１ｂを放電電極２０１ａから徐々に遠ざける。これにより、印加電圧を上げることなく、放電電極２０１ａ・２０１ｂ間の距離を長くすることが可能となる。
【００１３】
このように、ソリューションプラズマ放電装置２２２では、放電電極２０１ａ・２０１ｂ間の距離を拡げるために、煩雑な処理が必要になる。しかも、ソリューションプラズマ放電装置２２２では、凹部２０３を有する基板２０２も必要不可欠となる。
【００１４】
そこで、本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、放電電極間のプラズマ発生領域を、簡単に拡げることのできるソリューションプラズマ放電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係るソリューションプラズマ放電装置は、上記の課題を解決するために、液体中に配置された１対の放電電極を備え、放電電極間に電圧を印加し放電させることにより、放電電極間にプラズマを発生させるソリューションプラズマ放電装置において、上記１対の放電電極の一方が線電極であり、他方が針電極であり、上記針電極は、上記線電極の長手方向に対して傾斜して配置されていることを特徴としている。
【００１６】
上記の構成によれば、線電極と、線電極に対して傾斜して配置された針電極とからなる、１対の放電電極を備えている。これにより、放電電極間の距離を長くしても、放電電極間の印加電圧を上げずに、プラズマを発生させることができる。つまり、特許文献１のような煩雑な処理を行うことなく、電圧を印加するだけで、距離の長い放電電極間に、プラズマを発生させることができる。従って、放電電極間のプラズマ発生領域を、簡単に拡げることができる。
【００１７】
本発明に係るソリューションプラズマ放電装置において、上記プラズマ発生中、上記針電極の先端から針電極の延長線と線電極との交点までの距離が一定であることが好ましい。
【００１８】
上記の構成によれば、プラズマ発生中に、放電電極間の距離を変動させる必要がない。従って、放電電極間のプラズマ発生領域を、より簡便に拡げることができる。
【００１９】
本発明に係るソリューションプラズマ放電装置において、上記針電極の延長線上に、上記線電極の中間部が配置されていることが好ましい。
【００２０】
上記の構成によれば、針電極が、線電極の中間部に対向して配置される。これにより、針電極の延長線が線電極の対称軸となる。このため、その延長線の両側に、対称に線電極が配置される。従って、プラズマ発生領域を、より拡げることができる。
【００２１】
本発明に係るソリューションプラズマ放電装置において、上記針電極は、上記線電極の長手方向に対して、垂直に配置されていることが好ましい。
【００２２】
上記の構成によれば、針電極の延長線と、線電極の長手方向とのなす角が９０°となる。これにより、針電極の延長線に対して垂直方向が、線電極の長手方向となる。つまり、針電極から線電極の長手方向の距離が一定になる。従って、放電電極間に均等に広がったプラズマ発生領域を形成することができる。
【００２３】
本発明に係るソリューションプラズマ放電装置において、上記線電極は、長手方向に伸縮自在になっていてもよい。
【００２４】
上記の構成によれば、線電極の長さが変動するため、線電極が液体中に露出する部分の長さ（露出長）も変動する。これにより、放電電極間の最短距離を一定に保ちつつ、線電極の露出長を変動させることができる。従って、発生したプラズマの状態に適した露出長となるように、線電極の長さの微調整が可能となる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係るソリューションプラズマ放電装置は、以上のように、上記１対の放電電極の一方が線電極であり、他方が針電極であり、上記針電極は、上記線電極の長手方向に対して傾斜して配置された構成である。このため、煩雑な処理を行わずに、放電電極間のプラズマ発生領域を、簡単に拡げることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係るソリューションプラズマ放電装置におけるプラズマ発生領域付近の斜視図である。
【図２】本発明に係るソリューションプラズマ放電装置を示す断面図である。
【図３】本発明に係るソリューションプラズマ放電装置における、放電電極の別の配置状態を示す斜視図である。
【図４】本発明に係るソリューションプラズマ放電装置において、プラズマ発生領域を示す図である。
【図５】（ａ）はＩ型に配置された１対の放電電極を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）の放電電極間に発生したプラズマ発生領域を示す図である。
【図６】（ａ）はＶ型に配置された１対の放電電極を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）の放電電極間に発生したプラズマ発生領域を示す図である。
【図７】非特許文献１に記載されたソリューションプラズマ放電装置の断面図である。
【図８】特許文献１に記載されたソリューションプラズマ放電装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の一実施形態について図に基づいて説明すると以下の通りである。
【００２８】
本発明のソリューションプラズマ放電装置は、線電極と針電極とからなる１対の放電電極によって、プラズマ発生領域を拡げる。
【００２９】
図２は、本発明の一実施形態に係るソリューションプラズマ放電装置２１を示す断面図である。ソリューションプラズマ放電装置２１は、容器１１内の溶液（液体）１２中に、
１対の放電電極１ａ・１ｂを備えている。
【００３０】
放電電極１ａは、水平（溶液１２の液面に対して平行）に設けられた線電極である。
【００３１】
一方、放電電極１ｂは、放電電極１ａに近接して設けられており、放電電極１ａの長手方向に対して傾斜して配置されている。さらに、放電電極１ｂの延長線上には、放電電極１ａが配置される。ただし、この延長線上には、放電電極１ａの先端部は、配置されない。本実施形態では、放電電極１ｂは、放電電極１ａに対して垂直に配置されており、放電電極１ｂの延長線上には、放電電極１ａの中間部（中央部）が配置されている。さらに、プラズマ発生中、放電電極１ｂの先端から、放電電極１ｂの延長線と放電電極１ａとの交点までの距離は、一定である。
【００３２】
放電電極１ａ・１ｂは、溶液１２中に露出する部分を有するように、セラミックチューブ１０・１０で覆われている。放電電極１ａの溶液１２中に露出した長さ（露出長）は、特に限定されるものではないが、本実施形態では、３ｃｍである。一方、放電電極１ｂの溶液１２中に露出した長さ（露出長）も、特に限定されるものではないが、本実施形態では、２ｍｍである。また、放電電極１ａの長さが、変動するようになっている。
【００３３】
なお、放電電極１ａ・１ｂには、図示しない電源から、電圧が供給される。これにより、放電電極１ａ・１ｂ間には、プラズマが発生する。なお、この電源の条件は、プラズマが発生する条件であれば、特に限定されるものではない。すなわち、電圧値、パルス幅，パルス周波数，パルス波形などは、特に限定されるものではない。
【００３４】
また、放電電極１ａ・１ｂの、電極間距離，大きさ、材質、などは、特に限定されるものではない。本実施形態では、放電電極１ａとして、直径１ｍｍの棒状の電極を用い、放電電極１ｂとして直径１ｍｍの針電極を用いている。また、放電電極１ａ・１ｂ間の距離を、５ｍｍとし、通常のソリューションプラズマ放電装置よりも長くしている。放電電極１ａ・１ｂは、タングステン、銅、またはその他の導電性の材料から構成することができる。
【００３５】
溶液１２は、化学反応の対象となる任意の溶質の他、溶液１２の導電性を調整するための電解質を含んでもよい。また、溶液１２は、溶媒自身を反応の対象とし、溶質を含まなくてもよい。なお、溶液１２を構成する溶質と溶媒との組み合わせ，溶液１２の濃度，導電率，ｐＨなどは、目的に応じて設定すればよく、特に限定されるものではない。
【００３６】
次に、図１に基づいて、ソリューションプラズマ放電装置２１におけるプラズマの発生について説明する。図１は、ソリューションプラズマ放電装置２１のプラズマ発生領域１４付近を示す斜視図である。
【００３７】
ソリューションプラズマ放電装置２１は、放電電極１ａ・１ｂ間に電圧（例えば約１１００Ｖ）が印加されると、放電し放電電極１ａ・１ｂ間にプラズマが発生する。さらに、この放電の際、放電電極１ａ・１ｂ間に流れる電流により、溶液１２が加熱される。これにより、溶液１２中、特にプラズマ１３の周囲には、気泡が発生する。電圧印加中に発生した気泡は、プラズマ１３を取り囲み、プラズマ状態が気泡内部で安定化して維持される。プラズマ発生領域１４は、プラズマ１３と、プラズマ１３を内包する気相とからなっている。このように、プラズマ１３（プラズマ相）の周囲を気相が取り囲み、さらにその気相の周囲を液相が取り囲んでいる。そして、このようなプラズマ状態が気体中及び溶液中の分子の各種の化学反応を促進する。
【００３８】
ここで、プラズマ発生領域１４が広ければ、このような各種化学反応は効率よく進行する。プラズマ発生領域１４は、放電電極１ａ・１ｂ間の距離を長くすれば、広げることができる。ただし、放電電極１ａ・１ｂ間の距離を大きくするとプラズマ発生に必要とされる印加電圧が、その距離に応じて大きくなるのが通常である。このため、特許文献１では、低電圧下でプラズマ発生領域を拡げるためだけの部材（基板２０２）を必須の構成要件とすると共に、多段階の処理も必須の要件となっている。
【００３９】
しかしながら、本実施形態のソリューションプラズマ放電装置２１では、放電電極１ａが線電極、放電電極１ｂが針電極であり、放電電極１ｂが放電電極１ａの長手方向に対して傾斜している。これにより、放電電極１ａ・１ｂ間の距離を長くしても、放電電極１ａ・１ｂ間の印加電圧を上げずに、プラズマ１３を発生させることができる。つまり、特許文献１のような煩雑な処理を行うことなく、電圧を印加するだけで、距離の長い放電電極１ａ・１ｂ間に、プラズマ１３を発生させることができる。従って、放電電極１ａ・１ｂ間のプラズマ発生領域１４を、簡単に拡げることができる。それゆえ、各種化学反応を効率よく進行させることができる。例えば、ナノ粒子の合成効率を高めることができる。
【００４０】
なお、特許文献１には、放電電極２０１ａ・２０１ｂの一方を線電極に、他方を針電極に限定する記載も示唆もない。つまり、ソリューションプラズマ放電装置２１において、プラズマ発生領域１４を拡げることができるという効果は、特定の放電電極を特定の配置とすることによって初めて得られる、本願発明に特有の効果である。
【００４１】
さらに、ソリューションプラズマ放電装置２１では、放電電極１ａ・１ｂ間の距離を拡げるために、特許文献１のような凹部２０３を有する基板２０２が不要である。このため、特許文献１のソリューションプラズマ放電装置よりも、部品点数を削減することができる。従って、ソリューションプラズマ放電装置２１の構成を簡素化することができる。
【００４２】
また、ソリューションプラズマ放電装置２１では、プラズマ発生中（放電電極１ａ・１ｂに電圧を印加中）、放電電極１ｂの先端から放電電極１ｂの延長線と放電電極１ａとの交点までの距離が一定であることが好ましい。つまり、この場合、プラズマ発生中に、放電電極１ａ・１ｂ間の距離を変動させる必要がない。従って、放電電極１ａ・１ｂ間のプラズマ発生領域１４を、より簡便に拡げることができる。
【００４３】
また、ソリューションプラズマ放電装置２１では、放電電極１ａが長手方向に伸縮自在であり、放電電極１ａの長さが変動するようになっている。ただし、放電電極１ａの長さは、放電電極１ｂの延長線上に、放電電極１ａの先端部が配置されたときの長さ以下にはならない。言い換えれば、放電電極１ｂが放電電極１ａの長手方向に対して傾斜して配置される範囲内で、放電電極１ａの長さが変動する。この場合、放電電極１ａが溶液１２中に露出する部分の長さ（露出長）も変動する。これにより、放電電極１ａ・１ｂ間の最短距離を一定に保ちつつ、放電電極１ａの露出長を変動させることができる。従って、発生したプラズマ１３の状態に適した露出長となるように、放電電極１ａの長さの微調整が可能となる。なお、もちろん放電電極１ａの長さは、変動（伸縮）しなくてもよい。
【００４４】
また、ソリューションプラズマ放電装置２１において、放電電極１ａに対する放電電極１ｂの位置は、放電電極１ｂが放電電極１ａの長手方向に対して傾斜していれば特に限定されるものではない。ただし、放電電極１ｂの延長線上に、放電電極１ａの中間部が配置されていることが好ましい。つまり、ソリューションプラズマ放電装置２１のように、放電電極１ｂが、放電電極１ａの中間部に対向して配置されていることが好ましい。これにより、放電電極１ｂの延長線が放電電極１ａの対称軸となる。すなわち、その延長線の両側に、対称に放電電極１ａが配置される。つまり、放電電極１ｂの延長線と放電電極１ａとの交点が、放電電極１ａのほぼ中点になる。これにより、放電電極１ａの長手方向に拡がったプラズマ発生領域１４が形成される。従って、プラズマ発生領域を、より拡げることができる。
【００４５】
また、ソリューションプラズマ放電装置２１では、放電電極１ｂは、放電電極１ａの長手方向に対して、垂直に配置されている。すなわち、放電電極１ｂの延長線と、放電電極１ａの長手方向とのなす角が９０°となっている。これにより、放電電極１ｂの延長線に対して垂直方向が、放電電極１ａの長手方向となる。つまり、放電電極１ｂから放電電極１ａの長手方向の距離が一定になる。従って、放電電極１ａ・１ｂ間に均等に広がったプラズマ発生領域１４を形成することができる。
【００４６】
なお、放電電極１ａの長手方向に対する放電電極１ｂの角度は、特に限定されるものではない。つまり、この角度は、放電電極１ｂが放電電極１ａの長手方向に対して傾斜していれば、垂直でも鈍角でも鋭角でもよい。図３は、放電電極１ａ・１ｂの別の配置状態を示す斜視図である。図３では、放電電極１ｂが、放電電極１ａの長手方向に対して鋭角に配置されている。このような配置状態であっても、同様に、プラズマ発生領域（図示せず）を、拡げることができる。
【実施例】
【００４７】
図２のようなＴ字状に配置した放電電極１ａ（線電極）と放電電極１ｂ（針電極）を用い、放電電極間１ａ・１ｂ間距離（放電電極１ｂの先端から放電電極１ｂの延長線と放電電極１ａとの交点までの距離）を５ｍｍとし、放電電極１ａ・１ｂ間に、２０００Ｖの電圧を５秒程度印加し、形成されるプラズマ発生領域を観測した。図４は、観測されたプラズマ発生領域を示す図である。
【００４８】
一方、比較のため、放電電極の配置状態のみが異なる、２種類のソリューションプラズマ放電装置についても、同様にしてプラズマ発生領域を観測した。すなわち、１つは、図５（ａ）のように、放電電極１ｃ・１ｃとして、互いに対向するＩ字状に配置される針電極を用いた。もう１つは、図６（ａ）のように、放電電極１ｄ・１ｄとして、互いの放電電極１ｄ・１ｄの延長線を結ぶとＶ字状に配置されると針電極を用いた。なお、図５（ａ）および図６（ａ）において、両矢印で示す放電電極間距離が、５ｍｍである。
【００４９】
なお、図５（ｂ）は図５（ａ）の放電電極間に発生したプラズマ発生領域を示す図である。図６（ｂ）は図６（ａ）の放電電極間に発生したプラズマ発生領域を示す図である。
【００５０】
このような放電電極の配置状態とプラズマ発生領域との関係を調べた結果、図４のように、放電電極１ａ・１ｂをＴ字状に配置した場合に、均等に球状に拡がったプラズマ発生領域（図中白抜きの部分）が形成され、最もプラズマ発生領域を拡がることが確認された。
【００５１】
一方、図５（ｂ）および図６（ｂ）のように、放電電極をＩ字状またはＶ字状に配置した場合、各放電電極の先端を結ぶ領域に、直線状のプラズマ発生領域が形成されたものの、図４のプラズマ発生領域のように、均等な拡がりは確認されなかった。
【００５２】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明はソリューションプラズマを応用した物質合成、液体処理、及び加工等に利用することができる。また、ソリューションプラズマ状態の診断（観測）を容易にし、ソリューションプラズマ状態の制御に適用することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１ａ  放電電極（線電極）
１ｂ  放電電極（針電極）
１２  溶液（液体）
１３  プラズマ
１４  プラズマ発生領域
２１  ソリューションプラズマ放電装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図７】
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【図８】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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