(57)【要約】      （修正有）【課題】放電を安定させることができるプラズマ発生装置を提供する。【解決手段】プラズマ発生装置１００は、液体１０１を流すための流路１８０内に少なくとも一部が配置される第１の電極１１０及び第２の電極１２０と、流路１８０内に位置する開口を端面に有し、第１の電極１１０の側面を、気体を通過させるための空間を介して囲むように配置された筒状の絶縁体１３０と、第１の電極１１０と第２の電極１２０との間に電圧を印加することで、プラズマを発生させる電源１４０とを備え、液体１０１は、気体が開口を通過する方向に沿って絶縁体１３０の外側を流れる。【選択図】図１
2019057477.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を流すための流路内に少なくとも一部が配置される第１の電極及び第２の電極と、
前記流路内に位置する開口を端面に有し、前記第１の電極の側面を、気体を通過させるための空間を介して囲むように配置された筒状の絶縁体と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加することで、プラズマを発生させる電源とを備え、
前記液体は、前記気体が前記開口を通過する方向に沿って前記絶縁体の外側を流れる
プラズマ発生装置。
【請求項２】
さらに、前記空間に前記気体を供給することで、前記気体を前記開口から前記液体中に放出する供給装置を備える
請求項１に記載のプラズマ発生装置。
【請求項３】
さらに、前記流路を形成している構造体を備える
請求項１又は２に記載のプラズマ発生装置。
【請求項４】
前記流路は、仮想的な直線に沿って延びる第１の流路を含み、
前記開口は、前記第１の流路内に位置している
請求項３に記載のプラズマ発生装置。
【請求項５】
前記開口は、前記直線に直交している
請求項４に記載のプラズマ発生装置。
【請求項６】
前記第１の流路を流れる前記液体と、前記開口を通過する前記気体とは、水平面に対して下向きに流れる
請求項４又は５に記載のプラズマ発生装置。
【請求項７】
前記直線に平行な面で切断した場合の前記第１の流路の断面形状は、線対称である
請求項４〜６のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
【請求項８】
前記直線に直交する面で切断した場合の前記第１の流路の断面形状は、円形又は円環状である
請求項７に記載のプラズマ発生装置。
【請求項９】
前記流路は、さらに、前記第１の流路の上流側に接続された、屈曲した第２の流路を含む
請求項４〜８のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
【請求項１０】
前記第２の流路は、Ｓ字状に屈曲している
請求項９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】
本開示は、プラズマ発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１及び特許文献２には、液体中に気体を供給し、供給した気体内でプラズマを生成する液体処理装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−３３６９４号公報
【特許文献２】特開２０１５−１３６６４４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、上記従来の液体処理装置では、気体を液体中に導入するための筒の周囲に、カルマン渦又は水の巻き込みが発生する。このため、導入した気体によって形成される気泡の大きさにバラツキが発生することで、放電が安定しないという問題がある。
【０００５】
本開示は、放電を安定させることができるプラズマ発生装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の一態様に係るプラズマ発生装置は、液体を流すための流路内に少なくとも一部が配置される第１の電極及び第２の電極と、前記流路内に位置する開口を端面に有し、前記第１の電極の側面を、気体を通過させるための空間を介して囲むように配置された筒状の絶縁体と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加することで、プラズマを発生させる電源とを備え、前記液体は、前記気体が前記開口を通過する方向に沿って前記絶縁体の外側を流れる。
【発明の効果】
【０００７】
本開示によれば、放電を安定させることができるプラズマ発生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、実施の形態に係るプラズマ発生装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】図２は、実施の形態に係るプラズマ発生装置の第１の電極の近傍の構成を示す断面図である。
【図３】図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線における第１の電極の近傍の構成を示す断面図である。
【図４】図４は、実施の形態に係るプラズマ発生装置を動作させたときの消費電力の時間変化を示すグラフである。
【図５】図５は、実施の形態の変形例１に係るプラズマ発生装置の構成例を示すブロック図である。
【図６】図６は、実施の形態の変形例１に係るプラズマ発生装置の第１の電極の近傍の構成を示す断面図である。
【図７】図７は、実施の形態の変形例２に係るプラズマ発生装置の第１の電極の近傍の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（本開示の基礎となった知見）
従来、液体処理装置では、電極を覆う筒状の絶縁体の内部に気体を供給し、供給した気体によって形成される気泡内で放電させることで、液体中でプラズマを発生させる。このような気体導入型の水中プラズマデバイスでは、気体を導入するための筒が水の流れを塞き止める向きに設置されている。このため、筒から水中に気体を放出させた場合に、カルマン渦又は水の巻き込みが発生する。これにより、気泡の大きさにバラツキが発生することで、放電が安定しない。具体的には、気泡の大きさにバラツキが発生することで、電極から気液界面までの距離が安定せず、放電距離が変わることで放電が安定しない。
【００１０】
そこで、本発明者らは、放電を安定させることができるプラズマ発生装置を提供すべく、鋭意研究を行った。その結果、筒状の絶縁体から放出される気体の向きと液体の流れる向きとを略同じにすることで放電が安定することを見出した。
【００１１】
具体的には、筒状の絶縁体から放出される気体の向きと液体の流れる向きとを略同じにすることによって、気体が途切れることなく放出される。このため、電極から気液界面までの距離が大きく変化することを抑制することができる。このように、筒状の絶縁体から放出される気体の向きと液体の流れる向きとを略同じにすることによって、放電を安定させることができる。
【００１２】
そこで、本開示の一態様に係るプラズマ発生装置は、液体を流すための流路内に少なくとも一部が配置される第１の電極及び第２の電極と、前記流路内に位置する開口を端面に有し、前記第１の電極の側面を、気体を通過させるための空間を介して囲むように配置された筒状の絶縁体と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加することで、プラズマを発生させる電源とを備え、前記液体は、前記気体が前記開口を通過する方向に沿って前記絶縁体の外側を流れる。
【００１３】
これによれば、筒状の第１の絶縁体の開口から放出される気体の向きと液体の流れる向きとを略同じにすることができるので、放電の安定化を実現できる。なお、第２の電極は第１の電極の上流及び下流のいずれに設置された場合でも、効果は同じである。
【００１４】
ここで、本開示の一態様に係るプラズマ発生装置は、さらに、前記空間に前記気体を供給することで、前記気体を前記開口から前記液体中に放出する供給装置を備えていてもよい。
【００１５】
これによれば、気流ポンプ等の供給装置によって空間に気体を供給することができるので、気泡を連続的に発生させることができる。
【００１６】
ここで、本開示の一態様に係るプラズマ発生装置は、さらに、前記流路を形成している構造体を備えてもよい。
【００１７】
これによれば、第１の電極及び絶縁体と流路との位置関係を予め固定しておくことができるので、容易に放電を安定させることができる。
【００１８】
ここで、前記流路は、仮想的な直線に沿って延びる第１の流路を含み、前記開口は、前記第１の流路内に位置していてもよい。
【００１９】
これによれば、開口が位置する第１の流路が直線に沿って延びるので、開口の近傍で液体の流れが安定する。したがって、気泡の形状が更に安定するので、電極から気液界面までの距離が安定し、放電を更に安定させることができる。
【００２０】
ここで、前記開口は、前記直線に直交していてもよい。
【００２１】
これによれば、開口から放出される気体の向きと液体の流れる向きとが平行になるので、放出された気体が液体の流れを乱しにくくなる。これにより、電極から気液界面までの距離が安定し、放電を更に安定させることができる。
【００２２】
ここで、前記第１の流路を流れる前記液体と、前記開口を通過する前記気体とは、水平面に対して下向きに流れてもよい。
【００２３】
これによれば、第１の絶縁体の開口から放出される気体の向きと液体の流れる向きとを水平面に対して下向きとすることで、重力の影響を正に作用させることができる。そのため、気体を送り出す気流ポンプを設置しなくても、水流の流れによる引き込みにより気体を流すことができる。これにより、プラズマ発生装置の小型化及び軽量化を実現することができる。
【００２４】
ここで、前記直線に平行な面で切断した場合の前記第１の流路の断面形状は、線対称であってもよい。
【００２５】
これによれば、第１の流路の形状が線対称になることで、絶縁体が液体の流れを妨げることが十分に抑制される。このため、気体をスムーズに送り出すことができ、電極から気液界面までの距離が安定し、放電を安定させることができる。
【００２６】
ここで、前記直線に直交する面で切断した場合の前記第１の流路の断面形状は、円形又は円環状であってもよい。
【００２７】
これによれば、筒状の絶縁体を中心として第１の流路が偏りなく形成される。具体的には、第１の流路が延びる方向に直交する面における第１の流路の断面が円形になるので、液体の流れを安定させることができる。したがって、電極から気液界面までの距離が安定し、放電を安定させることができる。
【００２８】
ここで、前記流路は、さらに、前記第１の流路の上流側に接続された、屈曲した第２の流路を含んでもよい。
【００２９】
これによれば、屈曲した第２の流路によって液体の流れを抑え、第１の流路を流れる液体を安定させることができる。これにより、開口の近傍で乱流が発生するのを抑制することができるので、電極から気液界面までの距離が安定し、放電を安定させることができる。
【００３０】
ここで、前記第２の流路は、Ｓ字状に屈曲していてもよい。
【００３１】
これによれば、第１の流路を流れる液体を更に安定させることができるので、放電を更に安定させることができる。
【００３２】
以下、本開示の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示す。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態等は、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、より望ましい形態を構成する任意の構成要素として説明する。
【００３３】
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密な寸法を表すものではない。したがって、各図において縮尺などは必ずしも一致しない。また、各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付しており、重複する説明を省略又は簡略化する。
【００３４】
（実施の形態）
［１．概要］
まず、実施の形態に係るプラズマ発生装置の概要について、図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係るプラズマ発生装置１００の構成例を示すブロック図である。
【００３５】
図１に示すように、プラズマ発生装置１００は、液体１０１内に供給された気体が形成する気泡１０２中でプラズマ１０３を発生させる。これにより、プラズマ発生装置１００は、液体１０１内に活性種を発生させる。液体１０１は、例えば、純水、水道水、雨水又は井戸水などの水（Ｈ２Ｏ）又は水溶液であるが、これに限らない。
【００３６】
活性種には、例えば、ヒドロキシルラジカル（ＯＨ）、水素ラジカル（Ｈ）、酸素ラジカル（Ｏ）、スーパーオキシドアニオン（Ｏ２−）、一価酸素イオン（Ｏ−）又は過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）などが含まれる。これらの活性種によって、液体１０１に含まれる有害物質の分解又は殺菌などを行うことができる。また、活性種を含む液体１０１を、他の物質の分解又は殺菌などに利用することもできる。
【００３７】
［２．構成］
次に、プラズマ発生装置１００の構成について、図１及び図２を用いて説明する。図２は、本実施の形態に係る第１の電極１１０の近傍の構成を示す断面図である。具体的には、図２は、第１の電極１１０の中心軸を通る断面を示している。
【００３８】
図１に示すように、プラズマ発生装置１００は、第１の電極１１０と、第２の電極１２０と、絶縁体１３０と、電源１４０と、供給ポンプ１５０と、構造体１６０と、循環ポンプ１７０と、制御回路１９０とを備える。構造体１６０は、液体１０１を流すための流路１８０を形成している。図１に示すように、構造体１６０は、反応槽１６１と、処理槽１６２と、配管１６３とを含んでいる。
【００３９】
［２−１．電極］
第１の電極１１０は、流路１８０内に少なくとも一部が配置される電極である。第１の電極１１０は、プラズマ１０３を発生させるための電極対の一方である。第１の電極１１０は、反応電極として用いられ、周囲にプラズマ１０３が生成される。第１の電極１１０は、陽極として機能する。第１の電極１１０は、例えば、棒状の電極である。
【００４０】
図２に示すように、第１の電極１１０は、電極部１１１と、ネジ部１１２とを備える。電極部１１１は、第１の電極１１０の先端側に設けられた長尺の円柱状の部分である。電極部１１１は、例えば、タングステンなどの金属材料から形成された金属電極である。なお、電極部１１１は、アルミニウム、鉄若しくは銅又はこれらの合金などの金属材料を用いて形成されてもよい。
【００４１】
本実施の形態では、第１の電極１１０の電極部１１１が、流路１８０内に配置されている。電極部１１１は、図２に示すように、空間１３２を介して筒状の絶縁体１３０に囲まれている。電極部１１１は、供給ポンプ１５０によって気体が供給されない場合に、絶縁体１３０の開口１３１から流入する液体１０１と接触する。供給ポンプ１５０によって気体が供給された場合には、供給された気体が空間１３２を満たすので、電極部１１１は、供給された気体に覆われて液体１０１には接触しない。
【００４２】
本実施の形態では、電極部１１１と絶縁体１３０とは、同軸上に配置されている。電極部１１１と絶縁体１３０との間には、全周に亘って空間１３２が設けられている。すなわち、空間１３２は、幅ｄ１が略均一の円筒状の空間である。幅ｄ１は、第１の電極１１０の電極部１１１の側面と絶縁体１３０の側面との距離であり、１ｍｍ以上３ｍｍ以下である。
【００４３】
ネジ部１１２は、電極部１１１を支持する金属製の部材である。具体的には、電極部１１１は、ネジ部１１２に圧入されることで固定されている。ネジ部１１２は、電極部１１１と電気的に接続されており、電源１４０から受けた電力を電極部１１１に伝える。
【００４４】
ネジ部１１２は、第１の電極１１０の後端側に設けられている。ネジ部１１２の形状は、例えば長尺状の円柱形状である。ネジ部１１２の直径は、電極部１１１の直径より大きく、例えば、３ｍｍである。例えば、ネジ部１１２は、鉄などの、加工が容易な金属材料を用いて形成される。
【００４５】
ネジ部１１２は、保持部１３４に保持されている。具体的には、ネジ部１１２の外側面には雄ねじが設けられている。当該雄ねじが、保持部１３４に設けられた雌ねじと螺合することで、ネジ部１１２は、保持部１３４に保持されている。
【００４６】
ネジ部１１２には、供給ポンプ１５０に接続された貫通孔１１４が設けられている。貫通孔１１４は、空間１３２と連通している。このため、供給ポンプ１５０から供給された気体は、貫通孔１１４及び空間１３２を介して、絶縁体１３０の開口１３１から流路１８０を流れる液体１０１内に放出される。
【００４７】
本実施の形態では、図２に示すように、ネジ部１１２には、２つの貫通孔１１４が設けられている。これにより、貫通孔１１４での気体の圧損が抑制される。なお、貫通孔１１４の数は、１つのみ又は３以上でもよい。
【００４８】
図２に示すように、第１の電極１１０の端面１１３は、開口１３１の開口面より後退している。このときの後退量ｄ２は、第１の電極１１０の端面１１３の近傍に発生するプラズマ１０３と絶縁体１３０の内側面との接触が抑制される範囲である。具体的には、第１の電極１１０の端面１１３の後退量ｄ２は、０ｍｍ以上３ｍｍ以下である。
【００４９】
後退量ｄ２は、ネジ部１１２を軸周りに回転させることで調整することができる。ネジ部１１２が回転することで、電極部１１１とネジ部１１２とが連動して、保持部１３４に固定された絶縁体１３０に対して、軸方向に移動する。これにより、端面１１３の位置を可変にすることができる。
【００５０】
［２−２．第２の電極］
第２の電極１２０は、流路１８０内に少なくとも一部が配置される電極である。なお、図１に示す例では、第１の電極１１０及び第２の電極１２０の双方が反応槽１６１に固定されているが、これに限らない。例えば、第２の電極１２０は、処理槽１６２又は配管１６３に固定されていてもよい。
【００５１】
第２の電極１２０は、プラズマ１０３を発生させるための電極対の他方である。第２の電極１２０は、陰極として機能する。第２の電極１２０は、液体１０１に接触している。
【００５２】
第２の電極１２０は、例えば、棒状の電極である。第２の電極１２０の具体的な構成は、例えば、第１の電極１１０と同じであるが、これに限らない。
【００５３】
［２−３．絶縁体］
絶縁体１３０は、第１の電極１１０の側面を、空間１３２を介して囲むように配置されている。具体的には、絶縁体１３０は、第１の電極１１０の電極部１１１の外周に通気用の空間１３２を設けるように、反応槽１６１に取り付けられる。
【００５４】
図２に示すように、絶縁体１３０は、液体１０１に接する端面１３３に開口１３１が設けられた筒状の絶縁体である。本実施の形態では、絶縁体１３０は、第１の電極１１０の電極部１１１の側面を囲む長尺の円筒体である。絶縁体１３０は、反応槽１６１の側壁を貫通し、かつ、開口１３１が流路１８０内に位置するように反応槽１６１に固定されている。具体的には、絶縁体１３０は、保持部１３４によって固定されている。例えば、絶縁体１３０及び第１の電極１１０は、その軸方向が鉛直方向に平行になるように配置されている。
【００５５】
絶縁体１３０の内径は、電極部１１１の外径より大きい。また、電極部１１１と絶縁体１３０とが同軸上に配置されている。このため、空間１３２は、電極部１１１の全周に亘って円筒状に形成される。空間１３２によって、電極部１１１は、絶縁体１３０に接触しない。例えば、絶縁体１３０の内径が３ｍｍであり、電極部１１１の外径が０．８ｍｍである。これにより、空間１３２の幅ｄ１は、１．１ｍｍとなる。
【００５６】
空間１３２に供給された気体は、開口１３１を介して反応槽１６１内の液体１０１中へ放出される。放出された気体は、気泡１０２となって液体１０１中に拡散される。このとき、開口１３１が、気泡の大きさの上限を決定する機能を有する。
【００５７】
絶縁体１３０は、例えば、アルミナセラミックから構成される。あるいは、絶縁体１３０は、マグネシア、ジルコニア、石英又は酸化イットリウムなどから構成されてもよい。
【００５８】
なお、絶縁体１３０は、円筒体に限らず角筒体でもよい。また、絶縁体１３０は、保持部１３４に保持されているが、反応槽１６１の壁面に直接固定されていてもよい。
【００５９】
［２−４．電源］
電源１４０は、第１の電極１１０と第２の電極１２０とからなる電極対の間に所定の電圧を印加する昇圧トランスを有する。昇圧トランスから電極対の間に電圧を印加することによって、電極対間にプラズマ１０３を発生させる。プラズマ１０３の発生により液体１０１中にＯＨラジカルなどの種々の活性種が発生する。具体的には、電源１４０は、第１の電極１１０と第２の電極１２０との間にパルス電圧又は交流電圧を印加する。
【００６０】
例えば、印加する電圧は、２ｋＶ／ｃｍ〜５０ｋＶ／ｃｍ、１Ｈｚ〜１００ｋＨｚの正極性の高電圧パルスである。電圧波形は、例えば、パルス状、正弦半波形及び正弦波形のいずれでもよい。また、第１の電極１１０と第２の電極１２０との間に流れる電流値は、例えば、１ｍＡ〜３Ａである。ここでは、一例として、電源１４０は、周波数が３０ｋＨｚで、ピーク電圧が４ｋＶの正のパルス電圧を印加する。
【００６１】
［２−５．供給ポンプ］
供給ポンプ１５０は、第１の電極１１０と絶縁体１３０との間の空間１３２に気体を供給することで、気体を開口１３１から液体１０１中に放出する供給装置の一例である。これにより、絶縁体１３０及び第１の電極１１０の先端部分に気泡１０２を連続的に発生させる。供給ポンプ１５０は、例えば、周囲の空気を取り込んで、ネジ部１１２の貫通孔１１４を介して空間１３２に空気を供給する。なお、供給ポンプ１５０は、空気に限らず、アルゴン、ヘリウム、窒素ガス又は酸素ガスなどを供給してもよい。
【００６２】
なお、気泡１０２がなくても電極対の間にはプラズマ１０３が発生するが、気泡１０２が存在することによってプラズマ１０３による活性種の発生効率を高めることができる。また、気体が供給されずに、第１の電極１１０及び第２の電極１２０からなる電極対の間が液体１０１内に配置されるとき、電極対は抵抗性負荷となる。第１の電極１１０及び第２の電極１２０の少なくとも一方が液体１０１内の気泡にあるとき、電極対は容量性負荷となる。
【００６３】
［２−６．流路及び構造体］
構造体１６０は、液体１０１を流すための流路１８０を形成している。構造体１６０は、反応槽１６１と、処理槽１６２と、配管１６３とを含んでいる。流路１８０は、反応槽１６１と、処理槽１６２と、配管１６３とによって形成されている。
【００６４】
本実施の形態では、流路１８０は環状に形成されている。液体１０１は、流路１８０内を循環している。具体的には、液体１０１は、反応槽１６１、処理槽１６２及び配管１６３を順に流れている。なお、図１では、流路１８０を流れる液体１０１の方向を矢印で表している。液体１０１は、循環ポンプ１７０によって流路１８０を循環する。
【００６５】
なお、流路１８０には、分岐路が設けられていてもよい。分岐路には、開閉可能な弁が配置されている。弁を操作することで、必要に応じて流路１８０を流れる液体１０１を外部に取り出すことができる。あるいは、流路１８０内に、新たな液体を追加することができる。
【００６６】
反応槽１６１は、液体１０１の流路１８０を形成する構造体１６０の一部である。反応槽１６１の内部には、第１の電極１１０及び第２の電極１２０の少なくとも一部が配置されている。反応槽１６１は、例えばＵ字型の管である。Ｕ字の右側の部分（図１における左側）に第１の電極１１０及び絶縁体１３０が配置されており、左側の部分（図１における右側）に第２の電極１２０が配置されている。
【００６７】
処理槽１６２は、流路１８０を形成する構造体１６０の一部であり、例えば、液体１０１を貯めるための容器である。処理槽１６２の外形形状は、例えば直方体、円柱又は球体などいかなるものでもよい。処理槽１６２は、例えば上部が開放されたトレイなどでもよい。
【００６８】
処理槽１６２は、電圧を印加する前はプラズマ液の原液としての純水を液体１０１として貯めている。処理槽１６２は、電圧を印加することによるプラズマ１０３の発生後は、プラズマ処理された液体１０１を貯める。
【００６９】
配管１６３は、流路１８０を形成する構造体１６０の一部であり、反応槽１６１と処理槽１６２とを接続する。配管１６３は、例えば、パイプ、チューブ又はホースなどの管状の部材から形成される。あるいは、配管１６３は、断面Ｕ字状の溝などでもよい。
【００７０】
反応槽１６１、処理槽１６２及び配管１６３はそれぞれ、例えば、耐酸性の樹脂材料などで形成される。例えば、反応槽１６１は、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂、シリコンゴム、ポリ塩化ビニル、ステンレス又はセラミックなどから形成される。
【００７１】
［２−７．循環ポンプ］
循環ポンプ１７０は、配管１６３を介して反応槽１６１と処理槽１６２との間で液体１０１を循環させる送液装置の一例である。本実施の形態では、循環ポンプ１７０は、配管１６３の途中に配置されている。
【００７２】
［２−８．制御回路］
制御回路１９０は、例えばメモリに記録されたプログラムを実行することにより、プラズマ発生装置１００の全体を制御する。制御回路１９０は、例えば中央演算処理装置（ＣＰＵ：Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）又はマイクロコンピュータなどの集積回路で実現される。
【００７３】
具体的には、制御回路１９０は、電源１４０、供給ポンプ１５０及び循環ポンプ１７０を制御する。例えば、制御回路１９０は、電源１４０、供給ポンプ１５０及び循環ポンプ１７０の各々の動作タイミング、電源１４０が印加する電圧の大きさ及び周波数、供給ポンプ１５０による気体の供給量、並びに、循環ポンプ１７０による液体１０１の流速などを調整する。
【００７４】
例えば、制御回路１９０は、ユーザからの開始操作を受け付けた場合に、又は、予め定められたスケジュール情報に示される開始時刻になった場合に、電源１４０、供給ポンプ１５０及び循環ポンプ１７０をそれぞれ動作させる。あるいは、制御回路１９０は、常に液体１０１を循環させておいてもよく、プラズマ処理を開始する場合に、供給ポンプ１５０及び電源１４０をこの順で動作させてもよい。
【００７５】
［３．動作］
続いて、本実施の形態に係るプラズマ発生装置１００の動作について説明する。
【００７６】
本実施の形態に係るプラズマ発生装置１００では、循環ポンプ１７０が液体１０１を循環させながら、供給ポンプ１５０が気体を供給する。供給ポンプ１５０によって供給された気体は、ネジ部１１２の貫通孔１１４を介して空間１３２に供給される。気体が供給される前に空間１３２を満たしていた液体１０１は、開口１３１を介して、反応槽１６１内の液体１０１中に放出される。例えば、気体の流量は、０．８Ｌ／ｍｉｎである。気体は、空間１３２を満たすことで第１の電極１１０の電極部１１１を覆う。これにより、第１の電極１１０は、液体１０１から絶縁される。
【００７７】
また、電源１４０は、第１の電極１１０と第２の電極１２０との間に電圧を印加する。例えば、周波数が３０ｋＨｚ、ピーク電圧が４ｋＶの正のパルス電圧を印加する。これにより、第１の電極１１０の端面１１３と気液界面との間で放電が発生し、第１の電極１１０の電極部１１１を覆う気泡１０２内でプラズマ１０３が生成される。プラズマ１０３によって活性種が生成され、生成された活性種は、液体１０１に取り込まれる。液体１０１は循環しているので、活性種が液体１０１の全体に行き渡らせることができる。
【００７８】
［４．流路の形状と絶縁体の配置］
ここで、流路１８０の形状と、流路１８０に対する絶縁体１３０の配置とについて説明する。
【００７９】
流路１８０は、図２の一点鎖線で示す軸Ｐに沿って延びる第１の流路１８１を含んでいる。軸Ｐは、仮想的な直線に沿って延びる軸であり、例えば鉛直下方に延びている。第１の流路１８１には、絶縁体１３０の開口１３１が位置している。開口１３１は、軸Ｐに直交している。
【００８０】
本実施の形態では、液体１０１は、気体が絶縁体１３０の開口１３１を通過する方向に沿って絶縁体１３０の外側を流れる。図２には、液体１０１の流れる方向を実線の矢印で示し、気体が開口１３１を通過する方向を破線の矢印で表している。
【００８１】
図２に示すように、第１の流路１８１を液体１０１が流れる方向（実線の矢印）と、開口１３１を気体が通過する方向（破線の矢印）とが同じである。具体的には、第１の流路１８１を形成している反応槽１６１の内壁と、絶縁体１３０とは互いに平行に配置されている。図２に示すように、第１の流路１８１は、軸Ｐに平行な面で切断した場合の断面形状が線対称である。線対称の対称軸は、図２の一点鎖線で示す軸Ｐである。
【００８２】
ここで、第１の流路１８１は、Ｕ字型の反応槽１６１の右側の部分に形成されている。具体的には、反応槽１６１の第１の流路１８１を形成している部分の形状は、軸Ｐを中心軸とする円筒形状である。
【００８３】
図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線における第１の電極１１０の近傍の断面図である。図３に示すように、円筒状の絶縁体１３０の中心軸と反応槽１６１の円筒部分の中心軸とは、軸Ｐに一致している。これにより、絶縁体１３０の外側には、軸Ｐに直交する面で切断した場合の断面が円環形状の第１の流路１８１が形成される。第１の流路１８１の断面形状は、軸Ｐを中心に均等になる。このため、第１の流路１８１を流れる液体１０１の流れが安定する。
【００８４】
なお、円筒状の絶縁体１３０の中心軸と、円柱状の電極部１１１の中心軸とも、軸Ｐに一致している。これにより、電極部１１１の側面に沿って空間１３２を流れる気体の流れが安定する。
【００８５】
また、開口１３１を通過する気体は、液体１０１の流れに沿って第１の流路１８１内を進行する。このため、図２に示すように、開口１３１を通過した気体と液体１０１とは、同じ方向に並んで進むので、液体１０１に乱流が発生しにくくなる。
【００８６】
本実施の形態では、第１の流路１８１を流れる液体１０１と、開口１３１を通過する気体とは、水平面に対して下向きに流れる。例えば、液体１０１及び気体はいずれも鉛直下方に流れる。つまり、軸Ｐは鉛直方向に相当する。これにより、重力を利用して液体をスムーズに流すことができるので、絶縁体１３０の内部への液体１０１の巻き込みなどが抑制され、乱流の発生をより少なくすることができる。
【００８７】
［５．効果など］
図４は、本実施の形態に係るプラズマ発生装置１００を動作させたときの消費電力の時間変化を示すグラフである。図４において、横軸は、電極対に電圧を印加させてプラズマを発生させてからの経過時間［秒］を示している。縦軸は、電源１４０が消費した消費電力［Ｗ］を示している。
【００８８】
図４では、実施例と比較例との各々の消費電力の時間変化を示している。実施例は、図２及び図３で示したように、気体が開口１３１を通過する方向と、液体１０１が開口１３１の近傍を流れる方向とが略同じである場合である。実施例では、筒状の絶縁体１３０の中心軸と第１の流路１８１の延びる方向とが略平行である。
【００８９】
比較例は、気体が開口１３１を通過する方向と、液体１０１が開口１３１の近傍を流れる方向とが略直交している場合である。比較例では、筒状の絶縁体１３０の中心軸と第１の流路１８１の延びる方向とが略直交している。なお、実施例及び比較例において、絶縁体１３０と第１の流路１８１との位置関係が異なる点を除いて、その他の動作条件は同じである。
【００９０】
図４に示すように、動作時間が同じ時間である場合、実施例では、比較例よりも消費電力が抑制されている。また、実施例における消費電力の変動幅ｘは、比較例に係る消費電力の変動幅ｙよりも小さく抑制されている。さらに、比較例では、時間が経過した場合に、消費電力が徐々に上昇している。これに対して、実施例では、時間が経過した場合の、消費電力の上昇が抑制されている。
【００９１】
以上のように、本実施の形態に係るプラズマ発生装置１００によれば、筒状の絶縁体１３０の開口１３１から放出される気泡１０２が途切れにくく、液体１０１の流れに沿って流れやすくなる。また、プラズマ発生装置１００によれば、開口１３１の近傍で液体１０１の乱流が発生しにくくなる。これにより、第１の電極１１０から気液界面までの距離が安定するので、図４に示すように、放電を安定させることができる。
【００９２】
（変形例）
続いて、実施の形態の２つの変形例１及び２について説明する。変形例１及び２では、実施の形態と比較して、絶縁体１３０の開口１３１の近傍の流路の形状が相違する。以下の説明において、実施の形態との相違点を中心に説明し、共通点の説明を省略又は簡略化する。
【００９３】
［変形例１］
まず、変形例１について、図５及び図６を用いて説明する。
【００９４】
図５は、本変形例に係るプラズマ発生装置２００の構成例を示すブロック図である。図６は、本変形例に係るプラズマ発生装置２００の第１の電極１１０の近傍の構成を示す断面図である。
【００９５】
図５に示すように、プラズマ発生装置２００は、実施の形態１に係るプラズマ発生装置１００と比較して、反応槽１６１を有する構造体１６０の代わりに、反応槽２６１を有する構造体２６０を備える点が相違する。反応槽２６１は、反応槽１６１と比較して、Ｕ字状の右側の部分の形状が相違している。
【００９６】
本実施の形態では、液体１０１は、気体が絶縁体１３０の開口１３１を通過する方向に沿って絶縁体１３０の外側を流れている。図６には、液体１０１の流れる方向を実線の矢印で示し、気体が開口１３１を通過する方向を破線の矢印で表している。
【００９７】
流路２８０は、図６の一点鎖線で示す軸Ｐに沿って延びる第１の流路２８１を含んでいる。第１の流路２８１には、絶縁体１３０の開口１３１が位置している。開口１３１は、軸Ｐに直交している。
【００９８】
図６に示すように、第１の流路２８１を流れる液体１０１と、開口１３１を通過する気体とは、軸Ｐに沿った方向に流れる。第１の流路２８１は、軸Ｐに平行な面で切断した場合の断面形状が線対称である。線対称の対称軸は、図２の一点鎖線で示す軸Ｐである。
【００９９】
ここで、第１の流路２８１は、Ｕ字型の反応槽２６１の右側の部分に形成されている。具体的には、反応槽２６１の第１の流路２８１を形成している部分の形状は、円錐台筒状である。
【０１００】
円筒状の絶縁体１３０の中心軸と反応槽２６１の円錐台筒状の部分の中心軸とは、軸Ｐに一致している。これにより、絶縁体１３０の外側には、軸Ｐに直交する面で切断した場合の断面が円環形状の第１の流路２８１が形成される。なお、図６のＩＩＩ−ＩＩＩ線で切断した断面は、図３で示した断面と同様である。第１の流路２８１の断面形状は、軸Ｐを中心に均等になる。このため、第１の流路２８１を流れる液体１０１の流れが安定する。
【０１０１】
また、開口１３１を通過する気体は、液体１０１の流れに沿って第１の流路２８１内を進行する。このため、図６に示すように、開口１３１を通過した気体と液体１０１とは、同じ方向に並んで進むので、液体１０１に乱流が発生しにくくなる。
【０１０２】
以上のように、本変形例に係るプラズマ発生装置２００によれば、開口１３１の近傍で液体１０１の乱流が発生しにくくなる。これにより、第１の電極１１０から気液界面までの距離が安定するので、放電を安定させることができる。
【０１０３】
［変形例２］
次に、変形例２について、図７を用いて説明する。図７は、本変形例に係るプラズマ発生装置の第１の電極１１０の近傍の構成を示す断面図である。図７では、液体１０１が流れる方向を実線の矢印で表し、気体が流れる方向を破線の矢印で表している。
【０１０４】
本変形例に係るプラズマ発生装置では、図７に示す形状を有する反応槽３６０に、第１の電極１１０及び絶縁体１３０が配置されている。反応槽３６０は、液体１０１の流路３８０を形成する構造体の一例である。反応槽３６０は、例えば、図１などに示す処理槽１６２及び配管１６３と接続されており、液体１０１の循環経路を形成している。
【０１０５】
反応槽３６０が形成している流路３８０は、第１の流路３８１と、第２の流路３８２とを含んでいる。第２の流路３８２は、第１の流路３８１の上流側に接続されている。
【０１０６】
第１の流路３８１は、仮想的な直線に沿って延びている。具体的には、第１の流路３８１は、実施の形態に係る第１の流路１８１と同様である。例えば、図７のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面は、図３に示す断面と同様である。
【０１０７】
第２の流路３８２は、屈曲している。具体的には、第２の流路３８２は、Ｓ字状に屈曲している。液体１０１が流れる方向に対して直交する面で切断したときの第２の流路３８２の断面の形状は、円形であり、任意の位置において略同じ面積である。例えば、第２の流路３８２は、円筒状の配管をＳ字状に屈曲させることで形成されている。
【０１０８】
本変形例に係るプラズマ発生装置によれば、直線状の第１の流路３８１の上流側に屈曲した第２の流路３８２が接続されている。このため、液体１０１が流路３８０内を流れる場合に、液体１０１は、絶縁体１３０の開口１３１が位置する第１の流路３８１に到達する前に、第２の流路３８２を通過する。第２の流路３８２が屈曲していることで、液体１０１の流れが安定する。これにより、液体１０１は、第１の流路３８１を均等な速さで流れるので、絶縁体１３０の開口１３１の近傍で乱流が発生するのを抑制することができる。
【０１０９】
以上のことから、本変形例に係るプラズマ発生装置によれば、放電を更に安定させることができる。
【０１１０】
（他の実施の形態）
以上、１つ又は複数の態様に係るプラズマ発生装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本開示の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したもの、及び、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本開示の範囲内に含まれる。
【０１１１】
例えば、上記の実施の形態では、絶縁体の開口の近傍において、液体が鉛直下方に流れる例を示したが、これに限らない。液体は、水平面に対して斜め下方に流れてもよい。具体的には、絶縁体及び流路の軸に相当する軸Ｐが、水平面に対して斜め下方に延びていてもよい。あるいは、液体は、水平方向、鉛直上方、又は、水平面に対して斜め上方に流れていてもよい。循環ポンプ１７０による液体１０１の送出力を高めることで、液体を任意の方向に流すことができる。つまり、絶縁体及び流路の軸は、任意の方向を向いていてもよい。
【０１１２】
また、例えば、上記の実施の形態では、絶縁体の開口が仮想的な直線である流路の軸に直交している例について示したが、これに限らない。絶縁体の開口は、流路の軸に対して斜めに交差していてもよい。例えば、開口と直線とのなす角度は、８０度〜９０度の範囲であってもよい。
【０１１３】
また、例えば、流路の断面形状は、円形又は円環形に限らない。流路の断面形状は、正方形でもよく、楕円形でもよい。
【０１１４】
また、例えば、絶縁体は、円筒状でなくてもよい。第１の電極の電極部及び絶縁体、並びに、絶縁体の近傍の流路は、同じ軸に沿って屈曲していてもよい。例えば、当該軸に直交する断面において、流路の面積が均等になるように形成されている。
【０１１５】
また、例えば、プラズマ発生装置は、流路を形成する構造体を備えていなくてもよい。例えば、液体が所定の方向に沿って流れている場合に、当該液体の流れに略平行になるように、液体内に絶縁体及び第１の電極を配置してもよい。さらに、第２の電極も同様に液体内に配置する。この状態で、第１の電極と第２の電極との間に電圧を印加することで、プラズマを生成してもよい。
【０１１６】
また、上記の各実施の形態において、プラズマ発生装置の制御回路は、専用のハードウェアで構成されてもよく、あるいは、各構成要素に適したソフトウェアプログラムを実行することによって実現されてもよい。各構成要素は、ＣＰＵ又はプロセッサなどのプログラム実行部が、ハードディスク又は半導体メモリなどの記録媒体に記録されたソフトウェアプログラムを読み出して実行することによって実現されてもよい。
【０１１７】
なお、本発明は、プラズマ発生装置として実現できるだけでなく、プラズマ発生装置の各構成要素が行う処理をステップとして含むプログラム、及び、そのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能なＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｃ）などの記録媒体として実現することもできる。
【０１１８】
つまり、上述した包括的又は具体的な態様は、システム、装置、集積回路、コンピュータプログラム又はコンピュータ読み取り可能な記録媒体で実現されてもよく、システム、装置、集積回路、コンピュータプログラム及び記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。
【０１１９】
また、上記の各実施の形態は、特許請求の範囲又はその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２０】
本開示は、水からプラズマ液を生成するプラズマ発生装置に利用可能である。
【符号の説明】
【０１２１】
１００、２００  プラズマ発生装置
１０１  液体
１０２  気泡
１０３  プラズマ
１１０  第１の電極
１１１  電極部
１１２  ネジ部
１１３  端面
１１４  貫通孔
１２０  第２の電極
１３０  絶縁体
１３１  開口
１３２  空間
１３３  端面
１３４  保持部
１４０  電源
１５０  供給ポンプ
１６０、２６０  構造体
１６１、２６１、３６０  反応槽
１６２  処理槽
１６３  配管
１７０  循環ポンプ
１８０、２８０、３８０  流路
１８１、２８１、３８１  第１の流路
１９０  制御回路
３８２  第２の流路
【図１】
2019057477.tif 000003
【図２】
2019057477.tif 000004
【図３】
2019057477.tif 000005
【図４】
2019057477.tif 000006
【図５】
2019057477.tif 000007
【図６】
2019057477.tif 000008
【図７】
2019057477.tif 000009