(57)【要約】【課題】小さなエネルギーで水中放電を引き起こすことが可能なパルス電圧発生方法を提案するとともに、その方法に基づいた小型の放電発生装置を提供することである。【解決手段】コンデンサと伝送線路に蓄積された静電エネルギーを瞬時に取り出して、コンデンサと直列に接続された放電用電極ギャップへ高電圧パルスを印加する際、パルスを高速で振動させることにより、放電用電極近傍の媒質の気化を促進させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つ以上の導体よりなる伝送線路の一端において、少なくともひとつの導体がコンデンサを介して放電用電極と接続されており、伝送線路とコンデンサが充電された後、該伝送線路の反対側の端部において、線路を構成する導体間を短絡することにより、一定の周期で振動する電圧パルスを放電用電極に印加することができる放電発生装置。
【請求項２】
前記電圧パルスにおける振動の一周期が、５０ナノ秒以上であることを特徴とする放電発生装置。
【請求項３】
伝送線路に同軸ケーブルが用いられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の放電発生装置。
【請求項４】
伝送線路の特性インピーダンスよりも、短絡された線路端部における導体間のインピーダンスの方が小さいことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の放電発生装置。
【請求項５】
伝送線路の端末処理において、導体間の距離が最端部に向かってテーパー状に拡大しており、かつ最端部における導体間の絶縁に、ひだ状の絶縁物が用いられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の放電発生装置。
【請求項６】
２つ以上の導体よりなる伝送線路の一端において、少なくともひとつの導体がコンデンサを介して放電用電極と接続されており、伝送線路とコンデンサが充電された後、該伝送線路の反対側の端部において線路を構成する導体間を短絡すると、一定の周期で振動する電圧パルスが放電用電極に印加されるという原理を利用した放電発生方法。
【請求項７】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の放電発生装置を用いて、放電用電極ギャップ間およびその周辺に存在する物質の化学的変化もしくは形状変化を促進させる放電処理方法。
【請求項８】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の放電発生装置を用いて、放電用電極ギャップ間およびその周辺に存在する微生物の死滅を促進させる殺菌方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、液体中における放電発生方法および放電発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  放電が水中もしくは水の表面で起きると、放電のエネルギーにより生ずる紫外光や、強い酸化力を有するヒドロキシラジカル（・ＯＨ）の生成により、水中に含まれる有害性の高い有機物質の分解や、微生物の死滅を促進する効果のあることが知られている。この作用を利用して工場などからの排水や、水耕栽培施設や浴場施設などにおける循環水を浄化する方法が検討されている。
放電により有害物質を効率よく分解するには、電子温度のみが高く分子温度は低いといういわゆる非平衡プラズマ状態を作り出すことが重要である。定常的に非平衡プラズマ状態を維持するのは難しいため、ナノ秒領域で急激な電界の変化を引き起こす高電圧パルスを繰り返し印加するという方法が検討され、その有効性は認められている。【０００３】  非平衡プラズマを利用した有害物質の除去技術は、排ガス処理の分野で既に多くの実績がある。しかしこれに比べて、水処理への非平衡プラズマの応用実績は少ないのが現状である。その理由は、比較的小さいエネルギーでも広範囲にて放電を引き起こすことが容易な気体と比べて、液体中で広範囲に放電を引き起こすには大きなエネルギーが必要となるためである。液体中における放電の進展機構は、電極近傍の高電界領域にて液体の気化が進行し、それに伴い放電路が伸びるという考え方が一般的である。したがって大量に流れる水を処理する場合、如何にして少ない電力で液体の気化を促進することにより広範囲にパルス放電を広げるかが重要となる。現状ではこの問題を解決するために水の表面付近に電極を配置して、水面に沿って気体放電を引き起こす方法や、水中に注射針を配置してこれを電極とし、その先から気体を放出しながら放電を引き起こす方法などが用いられている。（例えば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】  佐藤、「水中有機汚染物質のパルス放電処理」、応用物理，第６９巻，第３号，ｐｐ．３０１−３０４（２０００）
【０００４】  これらの手法は、水の近くの気相で放電を引き起こしているだけであり、水中で広い範囲に放電を進展させることはできない。そのため単位時間あたりに大量に排出される水を処理する場合には、不向きな手法である。しかし、単に電極を水中に配置して、そこから放電を広範囲に進展させるためには、１００ｋＶ以上の波高値で数マイクロ秒以上の幅を有する高電圧大容量のパルス発生装置が必要である。このようなパルス発生装置としては、コンデンサやコイルを多段に積み重ねた大型の回路が必要であるため、汎用性に欠けることが問題である。（例えば、非特許文献２参照）。
【非特許文献２】  秋山  他、「パルスパワー放電による環境保全と廃棄物処理」、応用物理，第７２巻，第４号，ｐｐ．４３４−４３８（２００３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  本発明が解決しようとする課題は、比較的小さなエネルギーで水中放電を引き起こすことが可能なパルス電圧発生方法およびその方法に基づいた小型の放電発生装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  本発明は上記の課題を解決するために、以下に示す（１）から（８）のように構成された放電発生装置および放電発生方法を提供するものである。
（１）  ２つ以上の導体よりなる伝送線路の一端において、少なくともひとつの導体がコンデンサを介して放電用電極と接続されており、伝送線路とコンデンサが充電された後、該伝送線路の反対側の端部において、線路を構成する導体間を短絡することにより、一定の周期で振動する電圧パルスを放電用電極に印加することができる放電発生装置。
（２）  前記電圧パルスにおける振動の一周期が、５０ナノ秒以上であることを特徴とする放電発生装置。
（３）  伝送線路に同軸ケーブルが用いられていることを特徴とする（１）又は（２）に記載の放電発生装置。
（４）  伝送線路の特性インピーダンスよりも、短絡された線路端における導体間のインピーダンスの方が小さいことを特徴とする（１）ないし（３）のいずれかに記載の放電発生装置。
（５）  伝送線路の端末処理において、導体間の絶縁距離が最端部に向かってテーパー状に拡大しており、かつ最端部における導体間の絶縁に、ひだ状の絶縁物が用いられていることを特徴とする（１）ないし（３）のいずれかに記載の放電発生装置。
（６）  ２つ以上の導体よりなる伝送線路の一端において、少なくともひとつの導体がコンデンサを介して放電用電極と接続されており、伝送線路とコンデンサが充電された後、該伝送線路の反対側の端部において線路を構成する導体間を短絡すると、一定の周期で振動する電圧パルスが放電用電極に印加されるという原理を利用した放電発生方法。
（７）  （１）ないし（３）のいずれかに記載の放電発生装置を用いて、放電用電極ギャップ間およびその周辺に存在する物質の化学的変化もしくは形状変化を促進させる放電処理方法。
（８）  （１）ないし（３）のいずれかに記載の放電発生装置を用いて、放電用電極ギャップ間およびその周辺に存在する微生物の死滅を促進させる殺菌方法。【０００７】  本発明は、コンデンサと伝送線路に蓄積された静電エネルギーを瞬時に取り出して、コンデンサと直列に接続された放電用電極ギャップへ高電圧パルスを印加する際、パルスを振動させることにより、放電を引き起こすという作用を有する。
【発明の効果】
【０００８】  本発明の放電発生装置は、伝送線路中を極性反転しながら往復する進行波により、立ち上がりの急峻な矩形波状の振動型パルスが放電ギャップに印加されるため、容易に放電を引き起こすことができ、その結果、放電に必要なエネルギーを従来技術よりも少なくすることができるという利点がある。単純なＬＣ回路を用いることにより正弦波振動電圧を発生させることは可能であるが、立ち上がりの急峻な矩形波状の振動電圧を得ることはできない。すなわち本発明に係る放電発生装置を用いれば、電界強度の急激な変化が何度も起きるため、放電用電極近傍の高電界領域における水分子は、分極作用による分子振動を余儀なくされる。その結果として局所的な気化が加速されることにより放電が容易に進展するものと思われる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】  本発明に係るひとつの実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１に放電発生装置の構成を示すと共に、放電光を検出するための計測システムの構成を示す。図１において放電発生装置のひとつの実施形態として、伝送線路１２２、コンデンサ１２３、短絡用スイッチ１２４、直流電源１２５、高抵抗１２６（５０ＭΩ）、放電用電極ギャップ１２７、アクリル製水槽１２８、高抵抗１２９（５０ＭΩ）、電圧プローブ１３０、高速光検出器１３１、オシロスコープ１３２および放電検出用光ファイバ１３３が用いられた。１３０から１３３までの計測機器類は、本発明に基づく放電発生装置の有効性を確認するために配置されたものである。したがってこれら観測系の種類、その相対配置などはこの発明における必須の構成要件ではない。【００１０】  直流電源１２５により伝送線路１２２およびコンデンサ１２３が充電された状態から短絡用スイッチ１２４を動作させると、放電用電極ギャップには振動電圧が印加される。この振動は、伝送線路中を極性反転しながら往復する進行波電圧パルスにより引き起こされる。以下に、この原理を簡単に説明する。最初にコンデンサと伝送線路を−Ｖの電圧で充電しておく。この時点で放電用電極間の電圧はゼロである。この後、伝送線路の終端部にあるスイッチを用いて伝送線路の２導体間を抵抗を介さずに短絡すると、短絡部のインピーダンスは伝送線路のインピーダンスよりも小さいので、充電電圧とは逆極性の＋Ｖの進行波電圧パルスが光速に近い速度で線路中を伝搬し、コンデンサ側へと向かう。この逆極性の進行波がコンデンサ側へ到達した時、伝送線路側のコンデンサの電位は−Ｖから＋Ｖへと反転する。ここでコンデンサ両端間の電位差は維持されるのだから、放電用電極側の電位はゼロから＋２Ｖへと急激に上昇する。放電用電極ギャップのインピーダンスは伝送線路のインピーダンスよりも十分大きいので、進行波はその極性を変えること無く反射して短絡側へと戻る。その後進行波は、短絡側で再び極性反転しながら往復を繰り返す。その結果、放電用電極ギャップ間の電圧はゼロと＋２Ｖとの間で振動し、その周期は進行波が伝送線路を２往復する時間に等しいことになる。通常、充電電圧よりも大きな波高値を有するパルス電圧を発生させるには、コンデンサや伝送線路を多段に積み重ねる必要があるのに対して、本発明にかかる放電発生装置の場合、一対の伝送線路とコンデンサだけで、充電電圧の２倍の波高値を有するパルス電圧が繰り返し印加される点が大きな利点である。この利点により、小型でありながら大きな放電を引き起こすことのできる放電発生装置を提供することが可能となる。また、さらなる大きな放電を引き起こすことを目的として、超音波発生装置や加熱装置を用いて水分子に大きな運動エネルギーを与えた状態のもとで、本装置による繰り返しパルス電圧を印加することもできる。【００１１】  図１の実施形態においては、伝送線路として特性インピーダンス５２Ωの同軸ケーブルを用いたが、特性インピーダンスが一定である伝送線路であれば他のものを用いても良く、例えば平行平板よりなるストリップ線路などを用いることもできる。伝送線路の本数は１本でも良いが、線路全体の静電容量を大きくするために、同一長さの伝送線路を複数本並列にしてコンデンサと接続することもできる。また電界集中の起き易い線路端部において、二つの導体間に介する絶縁層の厚さをテーパー状に広げ、端部絶縁層の破壊を抑止していると共に、ひだ付きの絶縁物を導体間の端部に挿入することにより、線路端部での沿面放電を抑止している。本実施例においては同軸ケーブルの始端と終端の両方において、９度のテーパー角にて絶縁層の厚みを増やすことにより、ケーブルのポリエチレン絶縁層の肉厚２．６ｍｍに対して、導体エッジ部の絶縁層の肉厚を８．０ｍｍとした。【００１２】  図１の実施形態における短絡用スイッチ１２４は、球対球電極ギャップを主たる構成要素とした。ギャップ間の距離は可変であり、充電後にギャップ間の距離を縮めることにより火花放電を起こして短絡させた。なお、充電された伝送線路を短絡する方法としては、これ以外にも回転機に取り付けられた電極が円運動を繰り返しながら充電と短絡を繰り返す方法や、抵抗の小さい固体半導体スイッチを用いても良い。【００１３】  図１の実施形態における放電用電極ギャップ１２７は、針電極と平板電極により構成されたが、この他にも櫛形電極、刀状電極、線上電極、のこぎり状電極等を用いることもできる。コンデンサ１２３としては、周波数応答特性や耐電圧特性の良いコンデンサを用いるのが良く、セラミックコンデンサを用いるのが好ましいが、その他にもオイルコンデンサやフィルムコンデンサなどを用いることもできる。高抵抗１２９は、コンデンサの充電を速やかに行うために必要であり、その値は少なくとも５０ＭΩ以下であるのが好ましく、さらに好ましくは１０ｋΩから１ＭΩの範囲に設定するのが良い。ただし放電用電極間に満たされた媒質自身の電気絶縁性が低い場合には、媒質自身が抵抗体の役割を果たし得るので高抵抗１２９を除去することもできる。【００１４】  本発明の請求範囲の妥当性を確認するために、実施例１と実施例２、および比較例１と比較例２のそれぞれに対して行われた実験の内容を以下に示す。
【実施例１】
【００１５】  同軸ケーブルの長さを１００ｍ、コンデンサの容量を４０００ｐＦ、放電用電極ギャップ間の距離を５ｃｍとして、コンデンサの充電電圧を−１０ｋＶに設定した状態で、抵抗を介さずに短絡スイッチを入れたときのパルス電圧波形を測定した。さらに、導電率２μＳ／ｍ未満のイオン交換水で満たされた水槽１２８中の電極ギャップ間で放電が起きる確率が５０％となるときの充電電圧を統計的に求めた。
【実施例２】
【００１６】  同軸ケーブルの長さを１０ｍ、コンデンサの容量を４０００ｐＦ、放電用電極ギャップ間の距離を５ｃｍとして、コンデンサの充電電圧を−１０ｋＶに設定した状態で、抵抗を介さずに短絡スイッチを入れたときのパルス電圧波形を測定した。さらに、導電率が２μＳ／ｍ未満のイオン交換水で満たされた水槽１２８中の電極ギャップ間で放電の起きる確率が、５０％となるときの充電電圧を統計的に求めた。
【比較例１】
【００１７】  同軸ケーブルの長さを１ｍ、コンデンサの容量を８０００ｐＦ、放電用電極ギャップ間の距離を５ｃｍとして、コンデンサの充電電圧を−１０ｋＶに設定した状態で、抵抗を介さずに短絡スイッチを入れたときのパルス電圧波形を測定した。さらに、導電率が２μＳ／ｍ未満のイオン交換水で満たされた水槽１２８中の電極ギャップ間で放電の起きる確率が、５０％となるときの充電電圧を統計的に求めた。
【比較例２】
【００１８】同軸ケーブルの長さを１００ｍ、コンデンサの容量を４０００ｐＦ、放電用電極ギャップ間の距離を５ｃｍとして、コンデンサの充電電圧を−１０ｋＶに設定した状態で、５２Ωの整合抵抗をスイッチと直列に挿入した状態でスイッチを入れた時のパルス電圧波形を測定した。さらに、導電率が２μＳ／ｍ未満のイオン交換水で満たされた水槽１２８中の電極ギャップ間で放電の起きる確率が、５０％となるときの充電電圧を統計的に求めた。
【００１９】  以下に、実験結果を示す。図２は実施例１、実施例２、比較例１および比較例２のそれぞれにおいて、充電電圧を−１０ｋＶに設定したときの出力電圧波形である。放電用電極間の電圧は、図１に記載の電圧プローブ１３０にて測定された。実施例１における振動の周期は約１μｓで、実施例２におけるそれは約１００ｎｓであり、特許請求項の範囲内であった。一方、比較例１における振動の周期は５０ｎｓ未満であり、また比較例２の場合は、短絡部のインピーダンスが伝送線路の特性インピーダンスと等しいために、振動が起きなかった。
【００２０】  図３は、実施例１、実施例２、比較例１および比較例２のそれぞれにおいて、充電電圧の絶対値と放電発生確率との関係をプロットしたものである。放電発生の有無は、図１に記載の高速光検出器１３１にて光信号が検出された否かによって判断された。各充電電圧において合計２０回の実験を行い、放電の発生する確率を百分率にて求めた。実施例１において放電発生確率が５０％になるときの充電電圧の絶対値は１４ｋＶであり、実施例２においては１６ｋＶであった。これに対して、比較例１においては１９ｋＶであり、比較例２においては２４ｋＶであった。比較例２の放電開始電圧が大きくなる理由は、電圧の振動が無いためであると思われる。また、比較例１において、コンデンサの静電容量も大きく、さらに電圧も振動しているにもかかわらず放電開始電圧が比較的大きくなった理由は、高速振動の周期があまりに早すぎるため、針電極の先端部にまで電位の振動が伝わっていないためと推測される。
【産業上の利用可能性】
【００２１】  本発明に係る放電発生装置を利用すれば、低い電圧でも放電を引き起こすことができるので、液体のみならず固体材料中で放電を引き起こすことも可能である。例えば、氷の破砕や固体産業廃棄物の破砕などへの応用が考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】放電発生装置を示す構成図である。
【図２】放電用電極ギャップに印加される電圧波形を示すグラフである。
【図３】充電電圧絶対値と放電発生確率の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２４】１２２    伝送線路
１２３    コンデンサ
１２４    短絡用スイッチ
１２５    直流電源
１２６    高抵抗
１２７    放電用電極ギャップ
１２８    アクリル製水槽
１２９    高抵抗
１３０    電圧プローブ
１３１    高速光検出器
１３２    オシロスコープ
１３３    放電検出用光ファイバ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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