(57)【要約】【課題】プラズマを効率良く生成することができるプラズマ生成装置を提供する。【解決手段】プラズマ生成装置１０は、液体１１に接触する内壁面に形成された凹部２１を有し、流路管２０の内部と流路管２０の外部の気体が存在する外部空間３０とを連通する気体導入路７０が設けられた流路管２０と、流路管２０に液体１１を流す送液装置と、流路管２０内部に配置される第１電極４０及び第２電極５０と、電源８０と、送液装置及び電源８０を制御する制御回路９０であって、送液装置に流路管２０に液体１１を流させ、流路管２０の凹部２１が形成された部分を液体１１が流れることによって流路管２０内部に形成された減圧空間と外部空間３０との気圧差によって、外部空間３０から気体導入路７０を介して液体１１中に導入された気体１２による気泡が発生した状態で、電源８０に第１電極４０と第２電極５０との間に所定の電圧を印加させる制御回路９０とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体が流れる流路管であって、前記液体に接触する内壁面に形成された凹部又は凸部を有し、流路管内部と、流路管外部の気体が存在する外部空間とを連通する気体導入路が設けられた流路管と、
前記流路管に液体を流す送液装置と、
前記流路管内部に配置された第１電極及び第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に所定の電圧を印加する電源と、
前記送液装置及び前記電源を制御する制御回路であって、前記送液装置に前記流路管に前記液体を流させ、前記流路管の前記凹部又は前記凸部が形成された部分を前記液体が流れることによって前記流路管内部に形成された減圧空間と前記外部空間との気圧差によって、前記外部空間から前記気体導入路を介して前記流路管内部の液体中に導入された前記気体による気泡が発生している状態で、前記電源に前記第１電極と前記第２電極との間に所定の電圧を印加させる制御回路とを備える、
プラズマ生成装置。
【請求項２】
前記凹部は、前記流路管内を前記液体が流れる方向に対して垂直な断面において周囲よりも凹んだ部分であり、かつ、当該方向に対して平行な断面において周囲よりも凹んだ部分であり、
前記凸部は、前記流路管内を前記液体が流れる方向に対して垂直な断面において周囲よりも突出した部分であり、かつ、当該方向に対して平行な断面において周囲よりも突出した部分である、
請求項１に記載のプラズマ生成装置。
【請求項３】
前記プラズマ生成装置は、さらに、
空隙を介して前記第１電極を囲むように配置され、かつ、前記外部空間と前記空隙と前記流路管内部とを連通する開口部を有する絶縁体を備え、
前記気体導入路は、前記空隙と前記開口部とによって構成される、
請求項１又は２に記載のプラズマ生成装置。
【請求項４】
前記第１電極は、長手方向に貫通し、前記外部空間と前記流路管内部とを連通する中空部を有する筒状電極であり、
前記気体導入路は、前記中空部によって構成される、
請求項１又は２に記載のプラズマ生成装置。
【請求項５】
液体が流れる流路管であって、流路管内部と、流路管外部の気体が存在する外部空間とを連通する気体導入路が設けられた流路管と、
前記流路管内部に前記液体を流す送液装置と、
前記流路管内部に配置された第１電極及び第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に所定の電圧を印加する電源と、
前記送液装置及び前記電源を制御する制御回路であって、前記送液装置に前記流路管内部を前記液体が旋回するように当該液体を流させ、前記液体が旋回することによって前記流路管内部に形成された減圧空間と前記外部空間との気圧差によって、前記外部空間から前記気体導入路を介して前記流路管内部の液体中に導入された前記気体による気泡が発生している状態で、前記電源に前記第１電極と前記第２電極との間に所定の電圧を印加させる制御回路とを備える、
プラズマ生成装置。
【請求項６】
前記第１電極は、前記気体導入路を介して前記流路管内部の液体中に前記気体を導入して発生させる気泡に少なくとも一部が覆われる位置に配置される、
請求項１又は５に記載のプラズマ生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、プラズマ生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、液体又は気体の浄化又は殺菌などにプラズマを利用する技術が研究されている。例えば、特許文献１には、プラズマによってＯＨラジカルなどの活性種を発生し、発生した活性種により微生物及び細菌を殺菌する殺菌装置が開示されている。
【０００３】
特許文献１に記載の殺菌装置は、一対の電極を備え、当該一対の電極間に２ｋＶ／ｃｍ〜５０ｋＶ／ｃｍ、１００Ｈｚ〜２０ｋＨｚの負極性の高電圧パルスを印加して放電を行う。放電のエネルギーによる水の蒸発、及び、衝撃波を伴う気化により、水蒸気からなる気泡を発生し、当該気泡中にプラズマを生成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２５５０２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の殺菌装置では、プラズマの生成効率が低いという課題がある。
【０００６】
本開示は、プラズマを効率良く生成することができるプラズマ生成装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の一態様に係るプラズマ生成装置は、液体が流れる流路管であって、前記液体に接触する内壁面に形成された凹部又は凸部を有し、流路管内部と、流路管外部の気体が存在する外部空間とを連通する気体導入路が設けられた流路管と、前記流路管に液体を流す送液装置と、前記流路管内部に配置された第１電極及び第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に所定の電圧を印加する電源と、前記送液装置及び前記電源を制御する制御回路であって、前記送液装置に前記流路管に前記液体を流させ、前記流路管の前記凹部又は前記凸部が形成された部分を前記液体が流れることによって前記流路管内部に形成された減圧空間と前記外部空間との気圧差によって、前記外部空間から前記気体導入路を介して前記流路管内部の液体中に導入された前記気体による気泡が発生している状態で、前記電源に前記第１電極と前記第２電極との間に所定の電圧を印加させる制御回路とを備える。
【０００８】
本開示の他の一態様に係るプラズマ生成装置は、液体が流れる流路管であって、流路管内部と、流路管外部の気体が存在する外部空間とを連通する気体導入路が設けられた流路管と、前記流路管に液体を流す送液装置と、前記流路管内部に配置された第１電極及び第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に所定の電圧を印加する電源と、前記送液装置及び前記電源を制御する制御回路であって、前記送液装置に前記流路管内部を前記液体が旋回するように当該液体を流させ、前記液体が旋回することによって前記流路管内部に形成された減圧空間と前記外部空間との気圧差によって、前記外部空間から前記気体導入路を介して前記流路管内部の液体中に導入された前記気体による気泡が発生している状態で、前記電源に前記第１電極と前記第２電極との間に所定の電圧を印加させる制御回路とを備える。
【０００９】
なお、包括的又は具体的な態様は、装置、デバイス、システム、集積回路、及び方法で実現されてもよい。また、包括的又は具体的な態様は、装置、デバイス、システム、集積回路、及び方法の任意な組み合わせで実現されてもよい。
【００１０】
開示された実施の形態の追加的な効果及び利点は、明細書及び図面から明らかになる。効果及び／又は利点は、明細書及び図面に開示の様々な実施の形態や特徴によって個々に提供され、これらの１つ以上を得るために全てを必要とはしない。
【発明の効果】
【００１１】
本開示によれば、気体を導入するポンプを使用せずに液中に気体を導入することができる。また、導入された気体内でプラズマを生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１に係るプラズマ生成装置の構成を示す図である。
【図２】実施の形態１に係る第１電極の一部及び絶縁体の一部の構成を示す斜視図である。
【図３Ａ】実施の形態１に係る流路管の形状の別の一例を示す図である。
【図３Ｂ】実施の形態１に係る流路管の形状の別の一例を示す図である。
【図３Ｃ】実施の形態１に係る流路管の形状の別の一例を示す図である。
【図４】実施の形態１に係るプラズマ生成装置の動作を示すフローチャートである。
【図５】実施の形態２に係るプラズマ生成装置の構成を示す図である。
【図６】実施の形態２に係る第１電極の一部及び絶縁体の一部の構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（本開示の概要）
上記課題を解決するために、本開示の一態様に係るプラズマ生成装置は、液体が流れる流路管であって、前記液体に接触する内壁面に形成された凹部又は凸部を有し、流路管内部と、流路管外部の気体が存在する外部空間とを連通する気体導入路が設けられた流路管と、前記流路管に液体を流す送液装置と、前記流路管内部に配置された第１電極及び第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に所定の電圧を印加する電源と、前記送液装置及び前記電源を制御する制御回路であって、前記送液装置に前記流路管に前記液体を流させ、前記流路管の前記凹部又は前記凸部が形成された部分を前記液体が流れることによって前記流路管内部に形成された減圧空間と前記外部空間との気圧差によって、前記外部空間から前記気体導入路を介して前記流路管内部の液体中に導入された前記気体による気泡が発生している状態で、前記電源に前記第１電極と前記第２電極との間に所定の電圧を印加させる制御回路とを備える。
【００１４】
これにより、ポンプなどの気体供給装置を用いることなく、流路管内部の減圧空間と外部空間との気圧差を利用して流路管内部から外部空間の気体を引き込むことで、流路管内部に気体を供給する。これにより、ポンプなどを用いることなく、流路管内部の液体中に気体を供給することができ、流路管内部に供給された気体中でプラズマを効率良く生成することができる。
【００１５】
また、例えば、前記凹部は、前記流路管内を前記液体が流れる方向に対して垂直な断面において周囲よりも凹んだ部分であり、かつ、当該方向に対して平行な断面において周囲よりも凹んだ部分であり、前記凸部は、前記流路管内を前記液体が流れる方向に対して垂直な断面において周囲よりも突出した部分であり、かつ、当該方向に対して平行な断面において周囲よりも突出した部分であってもよい。
【００１６】
これにより、流路管の内壁面に凹部又は凸部を設けるという簡易な構成で、流路管内部を流れる液体を旋回させることができる。したがって、例えば、液体を旋回させるためのファンなどを用いる必要がなく、省電力化及び小型化などを実現することができる。
【００１７】
また、例えば、さらに、空隙を介して前記第１電極を囲むように配置され、かつ、前記外部空間と前記空隙と前記流路管内部とを連通する開口部を有する絶縁体を備え、前記気体導入路は、前記空隙と前記開口部とによって構成されてもよい。
【００１８】
これにより、第１電極と第１電極を覆う絶縁体との間の空隙を気体導入路に利用することができるので、導入された気体が第１電極を覆いやすくなる。したがって、第１電極を気体が覆った状態で電圧を印加することが容易になり、プラズマの生成に電力を効率良く利用することができ、プラズマを効率良く生成することができる。
【００１９】
また、例えば、前記第１電極は、長手方向に貫通し、前記外部空間と前記流路管内部とを連通する中空部を有する筒状電極であり、前記気体導入路は、前記中空部によって構成されてもよい。
【００２０】
これにより、第１電極を貫通する中空部を気体導入路に利用することができるので、導入された気体が第１電極を覆いやすくなる。したがって、第１電極を気体が覆った状態で電圧を印加することが容易になり、プラズマの生成に電力を効率良く利用することができ、プラズマを効率良く生成することができる。
【００２１】
また、本開示の他の一態様に係るプラズマ生成装置は、液体が流れる流路管であって、流路管内部と、流路管外部の気体が存在する外部空間とを連通する気体導入路が設けられた流路管と、前記流路管に液体を流す送液装置と、前記流路管内部に配置された第１電極および第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に所定の電圧を印加する電源と、前記送液装置および前記電源を制御する制御回路であって、前記送液装置に前記流路管内部を前記液体が旋回するように当該液体を流させ、前記液体が旋回することによって前記流路管内部に形成された減圧空間と前記外部空間との気圧差によって、前記外部空間から前記気体導入路を介して前記流路管内部の液体中に導入された前記気体による気泡が発生している状態で、前記電源に前記第１電極と前記第２電極との間に所定の電圧を印加させる制御回路とを備える。
【００２２】
これにより、ポンプなどの気体供給装置を用いることなく、流路管内部の減圧空間と外部空間との気圧差を利用して流路管内部から外部空間の気体を引き込むことで、流路管内部に気体を供給する。これにより、ポンプなどを用いることなく、流路管内部の液体中に気体を供給することができ、流路管内部に供給された気体中でプラズマを効率良く生成することができる。
【００２３】
また、例えば、前記第１電極は、前記気体導入路を介して前記流路管内部の液体中に前記気体を導入して発生させる気泡に少なくとも一部が覆われる位置に配置されてもよい。
【００２４】
これにより、流路管内部に導入された気体による気泡内で効率よくプラズマを生成することができる。
【００２５】
また、例えば、本開示の一態様に係るプラズマ生成方法は、流路管内部に、液体を旋回させながら流すステップと、第１電極及び第２電極間に、所定の電圧を印加するステップとを含み、前記流すステップでは、前記液体が前記流路管内部を旋回することによって前記流路管内部に減圧空間が形成され、当該減圧空間と、流路管外部の気体が存在する外部空間との気圧差によって、前記外部空間と前記減圧空間とを連通する気体導入路を介して、前記外部空間から前記減圧空間に前記気体が導入され、前記印加するステップでは、前記電圧を印加することで、導入された気体中にプラズマを生成する。
【００２６】
これにより、ポンプなどの気体供給装置を用いることなく、流路管内部の液体中に気体を供給することができ、流路管内部に供給された気体中でプラズマを効率良く生成することができる。したがって、従来では液体の蒸発による気体の生成に利用されていた電力をプラズマの生成に利用することができるので、省電力化を実現することができる。
【００２７】
以下では、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００２８】
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的又は具体的な例を示すものである。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、ステップ、ステップの順序などは、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、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、任意の構成要素として説明される。
【００２９】
（実施の形態１）
［１．構成］
まず、実施の形態１に係るプラズマ生成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生成装置１０の構成を示す図である。なお、図１では、電源８０及び制御回路９０を除くプラズマ生成装置１０の構成の断面を示している。
【００３０】
本実施の形態に係るプラズマ生成装置１０は、液体１１内に供給された気体１２中でプラズマ１３を生成する液中プラズマ生成装置である。液体１１内に供給された気体１２は、気泡として液体１１内に存在する。気体１２による気泡は、気液界面が液体１１内で閉じていてもよいし、外部空間と連通していてもよい。また、気体１２による気泡は、所定の流量で液体１１中に気体１２を供給し続けることによって発生する液体１１中の気流を含む。以降、液体１１内に供給された気体１２を総称して気泡と呼ぶことがある。
【００３１】
液体１１は、流路管２０の内部を旋回して流れている。なお、図１では、紙面の下から上に向かう方向に液体１１が流れており、白抜きの矢印で液体１１が旋回していることを示している。
【００３２】
液体１１は、例えば、純水若しくは水道水などの水又は水溶液である。プラズマ生成装置１０は、液体１１内でプラズマ１３を生成することで、液体１１にＯＨラジカルなどの活性種を発生させる。これにより、液体１１を殺菌することができる。あるいは、活性種を含む液体１１（すなわち、プラズマ処理された液体１１）を用いて他の液体又は気体を殺菌することができる。なお、プラズマ処理された液体１１は、殺菌に限らず、その他の様々な目的に用いることができる。
【００３３】
本実施の形態では、プラズマ生成装置１０は、気体１２を供給するためのポンプなどの気体供給装置を備えない。気体１２は、流路管２０の内部を液体１１が旋回して流れることに起因して、外部空間３０から導入される。言い換えると、液体１１が流れることと、気体１２の導入とが連動している。液体１１が旋回して流れていない場合には、気体１２は導入されない。つまり、気体１２の導入のみを独立して行うことはできない。
【００３４】
ここで、外部空間３０は、流路管２０の外部の空間であり、気体が存在する空間である。具体的には、外部空間３０は、プラズマ生成装置１０が配置された部屋などの空間であり、例えば、空気（大気）に満ちた空間である。外部空間３０の気圧は、例えば、大気圧である。
【００３５】
したがって、外部空間３０に存在する気体、すなわち、流路管２０に導入される気体１２は、例えば、空気（大気）である。具体的には、気体１２は、窒素と酸素とを主成分として含む混合ガスである。あるいは、気体１２は、酸素、窒素、アルゴンなどの単体ガス、又は、これらのうち少なくとも２種類以上を含む混合ガスでもよい。気体１２は、予めフィルタなどによって埃などのゴミが除去されていてもよい。
【００３６】
図１に示すように、プラズマ生成装置１０は、流路管２０と、第１電極４０と、第２電極５０と、絶縁体６０と、気体導入路７０と、電源８０と、制御回路９０とを備える。以下では、本実施の形態に係るプラズマ生成装置１０を構成する各構成要素について、詳細に説明する。
【００３７】
［１−１．流路管］
流路管２０は、例えば、配管であり、液体１１が旋回して流れるための経路を形成する。具体的には、流路管２０は、パイプ、チューブ又はホースなどの管状部材から構成される。例えば、流路管２０は、内径が５ｍｍ、肉厚が３ｍｍのパイプから構成される。流路管２０（配管）としては、例えば、プラスチックなどの樹脂材料、ステンレスなどの金属材料、又は、セラミックなどから構成される。流路管２０は、例えば、錆などの発生を抑制するために塗料などでコーティングされてもよい。
【００３８】
流路管２０は、外部から流路管２０内部に気体を導入するために、側面の一部分が開口している。また、流路管２０は、当該開口した部分に、流路管２０の内部と流路管２０の外部空間とを連通する気体導入路７０が設けられている。気体導入路７０の詳細は後述する。
【００３９】
流路管２０は、液体１１に接触する内壁面に形成された凹部２１を有する。凹部２１は、液体１１を旋回させるために設けられている。液体１１は、凹部２１に起因して旋回する。具体的には、液体１１は、凹部２１に入り込むことによって、その流れが乱れて旋回しながら流れる。
【００４０】
凹部２１は、流路管２０内を液体が流れる方向に対して垂直な断面において、周囲よりも凹んだ部分であり、かつ、当該方向に対して平行な断面においても周囲よりも凹んだ部分である。凹部２１は、例えば、平面で形成された直方体状の凹部である。凹部２１の深さは、例えば、２ｍｍである。なお、凹部２１の形状及び大きさは、これらに限らない。例えば、凹部２１は、曲面で形成されてもよい。また、図１では、流路管２０が１つのみの凹部２１を有する例について示しているが、これに限らない。流路管２０は、複数の凹部２１を備えてもよく、液体１１を旋回させやすくしてもよい。流路管２０が複数の凹部を備える例については、後で説明する。
【００４１】
このように、流路管２０の内壁面に設けられた凹部２１によって、液体１１は、旋回しながら流れる。すなわち、液体１１は、旋回流を形成する。なお、液体１１の流速は、例えば、毎分０．６リットルである。
【００４２】
旋回流は、例えば、液体１１の流れる方向を中心軸として、液体１１が左回り又は右回りに回転しながら流れることである。つまり、液体１１は、流れる方向を中心とする渦を巻きながら流れる。渦（旋回）の中心には、減圧空間２２が形成される。つまり、液体１１が旋回することで減圧空間２２が形成される。具体的には、減圧空間２２は、凹部２１の下流側に、流路管２０の中心軸に沿って形成される。以上より、減圧空間２２は、流路管２０の凹部２１が形成された部分を液体１１が流れることによって流路管２０内部に形成される。
【００４３】
［１−２．第１電極］
第１電極４０は、プラズマ生成装置１０が備える一対の電極の一方である。第１電極４０と第２電極５０との間に所定の電圧が印加された場合に、気体１２による気泡中にプラズマ１３が生成される。
【００４４】
第１電極４０は、流路管２０の内部に少なくとも一部が配置されている。本実施の形態では、第１電極４０は、流路管２０の側面に設けられた開口を介して、一方の端部が流路管２０の内部に配置され、かつ、他方の端部が外部空間３０に配置される棒状電極である。具体的には、一方の端部は、流路管２０の内部に形成される減圧空間２２に配置されている。
【００４５】
第１電極４０は、後述する気体導入路７０を介して導入される気体１２による気泡によって少なくとも一部が覆われる位置に配置される。第１電極４０が気体１２に覆われた状態で後述する電源８０が、第１電極４０と第２電極５０との間に所定の電圧を印加することで効率良くプラズマを生成することができる。
【００４６】
第１電極４０は、図１に示すように、金属電極部４１と、金属保持部４２とを備える。
【００４７】
金属電極部４１は、例えば、棒状の金属材料から構成される。具体的には、図２に示すように、金属電極部４１は、円柱体である。なお、図２は、本実施の形態に係る第１電極４０の一部及び絶縁体６０の一部の構成を示す斜視図である。例えば、金属電極部４１は、装置の小型化を実現するため、その直径が所定の値以下である。例えば、金属電極部４１の直径は、２ｍｍ以下であり、一例として、０．９５ｍｍである。
【００４８】
金属電極部４１は、絶縁体６０に囲まれている。このとき、金属電極部４１と絶縁体６０との間には、空隙６１が形成される。
【００４９】
金属電極部４１は、一方の端部（先端）が液体１１に接触するように配置され、他方の端部（根元）が金属保持部４２に圧入されている。これにより、金属電極部４１は、金属保持部４２に物理的かつ電気的に接続されている。なお、金属電極部４１は、絶縁体６０の開口部６２より外方に突出しないように設けられている。
【００５０】
金属電極部４１は、反応電極として用いられ、周囲にプラズマ１３が生成される。
【００５１】
金属電極部４１としては、導電性の金属材料を利用することができ、例えば、耐プラズマ性の金属材料を利用することができる。具体的には、金属電極部４１は、タングステンから構成される。なお、金属電極部４１としては、他の耐プラズマ性の金属材料を用いてもよく、あるいは、耐久性は悪化するものの、銅、アルミニウム、鉄及びこれらの合金を用いてもよい。
【００５２】
さらに、金属電極部４１の表面の一部に、導電性物質を添加することによって１〜３０Ωｃｍの電気抵抗率を有する酸化イットリウムの溶射を行なってもよい。この酸化イットリウムの溶射により、電極寿命が長くなるという効果が得られる。
【００５３】
金属保持部４２は、例えば、棒状部材である。具体的には、金属保持部４２は、円柱体である。例えば、金属保持部４２は、その直径が金属電極部４１より大きく、一例として、３ｍｍである。
【００５４】
金属保持部４２は、例えば、鉄から構成される。なお、金属保持部４２としては、銅、亜鉛、アルミニウム、スズ及び真鍮などを用いてもよい。金属保持部４２は、電源８０に電気的に接続されている。
【００５５】
なお、金属保持部４２の外周には、雄ネジが設けられ、図示しない保持ブロック（例えば、絶縁体６０に固定されている）などに設けられた雌ネジに螺合してもよい。これにより、ネジを調節することで、金属電極部４１と絶縁体６０との位置関係を変更することができる。
【００５６】
［１−３．第２電極］
第２電極５０は、プラズマ生成装置１０が備える一対の電極の他方である。第２電極５０は、例えば、棒状の電極である。具体的には、第２電極５０は、円柱体である。例えば、第２電極５０は、装置の小型化を実現するため、その直径が所定の値以下である。例えば、第２電極５０の直径は、２ｍｍ以下であり、一例として２ｍｍである。
【００５７】
第２電極５０は、液体１１に少なくとも一部が接触して配置されている。具体的には、第２電極５０は、流路管２０の内部に少なくとも一部が配置されている。具体的には、第２電極５０は、流路管２０の内部において、絶縁体６０の外側に配置されている。図１に示す例では、第２電極５０は、絶縁体６０を挟んで、第１電極４０と並んで配置されているが、これに限らない。例えば、第２電極５０の先端と第１電極４０の先端とが対向するように配置されていてもよい。
【００５８】
第２電極５０としては、導電性の金属材料を利用することができる。第２電極５０は、例えば、タングステン、銅、アルミニウム又は鉄などから構成される。
【００５９】
なお、第２電極５０は、角柱体でもよい。また、第２電極５０は、柱体でなくてもよく、筒体又は平板でもよい。また、第２電極５０は、絶縁体６０の外側に巻かれたコイル状の電極でもよい。また、第２電極５０は、流路管２０の壁面に固定されていてもよく、着脱可能に固定されてもよい。
【００６０】
［１−４．絶縁体］
絶縁体６０は、空隙６１を介して第１電極４０を囲むように配置されている。具体的には、図１に示すように、絶縁体６０は、第１電極４０の一部である金属電極部４１を囲むように配置され、金属電極部４１との間に空隙６１を形成する。また、絶縁体６０は、流路管２０の内部と空隙６１とを連通する開口部６２を有する。
【００６１】
絶縁体６０は、例えば、図２に示すように、円筒体である。例えば、金属電極部４１の軸方向と絶縁体６０の管軸方向とが平行になるように、絶縁体６０の筒内に金属電極部４１が配置されている。具体的には、金属電極部４１の軸と絶縁体６０の管軸とが一致するように、絶縁体６０と金属電極部４１とが配置されている。つまり、空隙６１は、金属電極部４１の全周に沿って設けられ、絶縁体６０と金属電極部４１とは接触しない。
【００６２】
絶縁体６０の内径（開口部６２の直径）は、例えば、３ｍｍ以下であり、一例として、１．０ｍｍである。絶縁体６０の厚みは、特に限定されないが、例えば、０．２ｍｍ以上である。
【００６３】
絶縁体６０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６０は、マグネシア、石英又は酸化イットリウムなどから構成されてもよい。
【００６４】
空隙６１は、いわゆる微小ギャップ（マイクロギャップ）である。空隙６１の空隙長は、例えば、プラズマの電子温度及び換算電界と、気体の媒質密度とに基づいて決定される長さである。例えば、空隙長は、０．５ｍｍ以下である。
【００６５】
開口部６２は、第１電極４０の軸方向に位置する。つまり、開口部６２は、第１電極４０の先端と軸方向で対向している。
【００６６】
このとき、第１電極４０の先端は、開口部６２より内側に所定の距離だけ後退した位置に配置される。つまり、開口部６２が設けられている絶縁体６０の端面を開口面と呼ぶとき、金属電極部４１の先端は、当該開口面から後退している。後退距離は、例えば、７ｍｍ未満であり、好ましくは、３ｍｍ以上５ｍｍ以下である。
【００６７】
なお、絶縁体６０は、円筒体に限らず、角筒体でもよい。また、絶縁体６０は、流路管２０に固定されていてもよく、着脱可能に固定されてもよい。
【００６８】
［１−５．気体導入路］
気体導入路７０は、流路管２０の内部と外部空間３０とを連通する経路であり、気体１２による気泡が第１電極４０の少なくとも一部を覆うように気体を導入するための導入路である。気体導入路７０は、流路管２０の側面を貫通するように設けられている。本実施の形態では、気体導入路７０は、空隙６１と開口部６２とによって構成される。
【００６９】
気体導入路７０の一方の端部は、開口部６２に相当し、流路管２０の内部の減圧空間２２に位置する。具体的には、開口部６２は、流路管２０の中心軸の近傍に配置される。また、気体導入路７０の他方の端部は、金属電極部４１と、絶縁体６０の開口部６２とは反対側の端部（すなわち、空隙６１の端部）との間に相当し、外部空間３０に位置する。気体導入路７０は、当該他方の端部から気体を取り込み、開口部６２から液体１１中に気体を供給する。
【００７０】
本実施の形態では、気体導入路７０は、液体１１の旋回によって流路管２０の内部に形成された減圧空間２２と外部空間３０との気圧差によって、外部空間３０から減圧空間２２に気体１２を導入する。つまり、外部空間３０から気体１２を送り込むのではなく、減圧空間２２から気体１２を引き込むことで、流路管２０の内部に気体１２を供給する。
【００７１】
［１−６．電源］
電源８０は、第１電極４０と第２電極５０との間に所定の電圧を印加する。具体的には、電源８０は、第１電極４０と第２電極５０との間でパルス電圧又は交流電圧を印加する。
【００７２】
例えば、所定の電圧は、２ｋＶ／ｃｍ〜５０ｋＶ／ｃｍ、１Ｈｚ〜１００ｋＨｚの負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状のいずれでもよい。また、一対の電極間に流れる電流値は、例えば、１ｍＡ〜３Ａである。具体的には、電源８０は、ピーク電圧が４ｋＶ、パルス幅が１μｓ、周波数が３０ｋＨｚのパルス電圧を印加する。例えば、電源８０による入力電力は、２００Ｗである。
【００７３】
電源８０が電力を投入することで、第１電極４０と第２電極５０との間に電圧が印加される。これにより、空隙６１で放電が起こり、プラズマ１３が生成される。
【００７４】
［１−７．制御回路］
制御回路９０は、例えば、プログラムを内蔵するマイコンなどであり、プラズマ生成装置１０の動作を制御する回路である。具体的には、制御回路９０は、電源８０を制御することで、第１電極４０と第２電極５０との間に電圧を印加する。つまり、制御回路９０は、電源８０のオン及びオフの制御を行う。これにより、制御回路９０は、気体導入路７０を介して導入された気体１２による気泡中で放電させてプラズマ１３を生成する。具体的には、制御回路９０は、減圧空間２２と外部空間３０との気圧差によって、外部空間３０から気体導入路７０を介して液体１１中に導入された気体による気泡が発生した状態で、電源８０に第１電極４０と第２電極５０との間に所定の電圧を印加させる。減圧空間２２は、流路管２０の凹部２１が形成された部分を液体１１が流れることによって形成される。より具体的には、減圧空間２２は凹部２１に起因して液体１１が流路管２０の内部を旋回することによって形成される。
【００７５】
また、制御回路９０は、流路管２０の内部の液体１１の流れを制御してもよい。本実施の形態では、流路管２０に液体１１を流すためのポンプなどの送液装置９５が設けられている。制御回路９０は、送液装置９５を制御することで、流路管２０の内部に液体１１を流すことができる。
【００７６】
なお、送液装置９５は、液体１１を流す機能を有する装置であれば、いかなるものでもよい。例えば、送液装置９５は、所定の流速で液体１１を流す。このとき、送液装置９５は、液体１１を旋回させる機能を有しておらず、単に液体１１を送り出す機能のみを有していればよい。送液装置９５が液体１１を旋回させる機能を有してもよい。つまり、液体１１の旋回は必ずしも凹部２１に起因して発生させる必要は無い。この場合、流路管２０の内壁面は、凹部又は凸部が設けられていない滑らかな円筒内面であってもよい。液体１１を旋回させる方法についてはいかなるものでもよく、旋回によって形成された減圧空間２２と外部空間３０との気圧差によって液体１１中に気体が導入されればよい。
【００７７】
［２．流路管の変形例］
ここで、本実施の形態に係る流路管２０の別の例について、図３Ａ〜図３Ｃを用いて説明する。図３Ａ〜図３Ｃは、本実施の形態に係る流路管の形状の別の一例を示す図である。
【００７８】
図３Ａに示す流路管２０ａは、３つの凹部２１ａを有する。３つの凹部２１ａのそれぞれは、流路管２０ａの内面に沿って環状に形成されている。具体的には、３つの凹部２１ａのそれぞれは、液体１１の流れる方向を軸とした円環状の凹部である。図３Ａに示すように、３つの凹部２１ａのそれぞれは、液体１１の流れる方向に沿った断面が矩形である。なお、当該断面形状は、矩形に限らず、滑らかな曲線で形成されてもよい。
【００７９】
複数の凹部２１ａを設けることで、液体１１を旋回させやすくすることができる。複数の凹部２１ａの代わりに、１つの凹部２１ａを螺旋状に設けてもよい。旋回流を形成するための凹部２１ａの形状、個数及び配置などは、これらに限らない。
【００８０】
図３Ｂに示す流路管２０ｂは、３つの凸部２１ｂを有する。３つの凸部２１ｂのそれぞれは、流路管２０ｂの内面に沿って環状に形成されている。具体的には、３つの凸部２１ｂのそれぞれは、液体１１の流れる方向を軸とした円環状の凸部である。図３Ｂに示すように、３つの凸部２１ｂのそれぞれは、液体１１の流れる方向に沿った断面が矩形である。なお、当該断面形状は、矩形に限らず、滑らかな曲線で形成されてもよい。
【００８１】
複数の凸部２１ｂを設けることで、液体１１を旋回させやすくすることができる。複数の凸部２１ｂの代わりに１つの凸部２１ｂを設けてもよい。また、１つの凸部２１ｂを螺旋状に設けてもよい。旋回流を形成するための凸部２１ｂの形状、個数及び配置などは、これらに限らない。凸部２１ｂは、流路管２０ｂ内を液体が流れる方向に対して垂直な断面において、周囲よりも突出した部分であり、かつ当該方向に対して平行な断面においても周囲よりも突出した部分である。
【００８２】
例えば、図３Ｃに示す流路管２０ｃは、凸部２１ｃ及び凸部２１ｄを有する。凸部２１ｃ及び凸部２１ｄのそれぞれは、流路管２０ｃの内面に沿って環状に形成されている。具体的には、凸部２１ｃ及び凸部２１ｄのそれぞれは、液体１１の流れる方向に交差する方向を軸とした円環状の凸部である。より具体的には、液体１１の上流側の凸部２１ｃの軸と下流側の凸部２１ｄの軸とは、液体１１の流れる方向に対して、互いに異なる方向に傾斜している。例えば、図３Ｃに示すように、液体１１の流れる方向に対して、凸部２１ｃの軸は金属電極部４１（第１電極４０）側に傾き、凸部２１ｄの軸は金属電極部４１とは反対側に傾いている。
【００８３】
このように、凸部２１ｃ及び凸部２１ｄのそれぞれの軸の傾斜を異ならせることで、液体１１をより旋回させやすくすることができる。例えば、旋回の回転力を強めることができるので、減圧空間２２が形成されやすくなり、気体１２が導入されやすくなる。これにより、プラズマ１３を効率良く生成することができる。
【００８４】
なお、凸部２１ｂ又は凸部２１ｃは、流路管２０ｂ又は流路管２０ｃとは別体でもよい。例えば、流路管２０ｂ又は流路管２０ｃに切り欠きを形成し、板状の部材を切り欠きから挿入することで、凸部２１ｂ又は凸部２１ｃを形成することができる。
【００８５】
また、図１及び図３Ａ〜図３Ｃに示す例では、それぞれ流路管は、凹部のみ又は凸部のみを有する例について示したが、これに限らない。本実施の形態では、流路管は、凹部及び凸部の両方を有してもよい。
【００８６】
［３．動作］
続いて、本実施の形態に係るプラズマ生成装置１０の動作について、図４を用いて説明する。図４は、本実施の形態に係るプラズマ生成装置１０の動作を示すフローチャートである。
【００８７】
図４に示すように、まず流路管２０に液体１１を流す（Ｓ１０）。例えば、ポンプなどの送液装置９５が流路管２０に液体１１を送り込むことによって、流路管２０に液体１１を流す。液体１１が流路管２０を流れることで、液体１１は凹部２１によってその流れが乱されて旋回する。これにより、液体１１は、流路管２０の内部を旋回しながら流れる。
【００８８】
液体１１が旋回することで、流路管２０の内部に気体１２が導入される（Ｓ２０）。具体的には、液体１１が旋回することで、旋回の中心に減圧空間２２が形成される。言い換えると、流路管２０の凹部２１が形成された部分を液体１１が流れることによって減圧空間２２が形成される。気体導入路７０の一方の端部（開口部６２）が減圧空間２２に配置されているので、気体導入路７０を介して外部空間３０から気体１２が導入される。
【００８９】
次に、導入された気体１２による気泡が発生している状態で、電源８０が第１電極４０と第２電極５０との間に電圧を印加することで、気体１２中にプラズマ１３を生成する（Ｓ３０）。
【００９０】
なお、ステップＳ１０とステップＳ３０とは同時に行われてもよく、ステップＳ３０が先に行われてもよい。ただし、図４に示すように、液体１１を旋回させながら流すことで気体１２が導入された後に電圧を印加した方が、効率良くプラズマを生成することができる。
【００９１】
［４．効果など］
以上のように、本実施の形態に係るプラズマ生成装置１０は、液体１１が流れる流路管２０であって、液体１１に接触する内壁面に形成された凹部２１又は凸部２１ｂを有し、流路管２０内部と、流路管２０外部の気体が存在する外部空間とを連通する気体導入路７０が設けられた流路管２０と、流路管２０に液体１１を流す送液装置９５と、流路管２０内部に配置された第１電極４０及び第２電極５０と、第１電極４０と第２電極５０との間に所定の電圧を印加する電源８０と、送液装置９５及び電源８０を制御する制御回路９０とを備える。制御回路９０は、減圧空間２２と外部空間３０との気圧差によって、外部空間３０から気体導入路７０を介して液体１１中に導入された気体による気泡が発生した状態で、電源８０に第１電極４０と第２電極５０との間に所定の電圧を印加させる。減圧空間２２は、流路管２０の凹部２１又は凸部２１ｂが形成された部分を液体１１が流れることによって流路管２０の内部に形成される。より具体的には、減圧空間２２は凹部２１または凸部２１ｂに起因して液体１１が流路管２０の内部を旋回することによって形成される。
【００９２】
これにより、ポンプなどの気体供給装置を用いることなく、流路管２０の内部の液体１１中に気体１２を供給することができ、流路管２０の内部に供給された気体１２中でプラズマ１３を効率良く生成することができる。したがって、従来では液体の蒸発による気体の生成に利用されていた電力をプラズマの生成に利用することができるので、省電力化又は小型化を実現することができる。
【００９３】
（実施の形態２）
続いて、実施の形態２に係るプラズマ生成装置について、図５及び図６を用いて説明する。
【００９４】
図５は、本実施の形態に係るプラズマ生成装置１１０の構成を示す図である。なお、図５では、電源８０及び制御回路９０を除くプラズマ生成装置１１０の構成の断面を示している。
【００９５】
本実施の形態に係るプラズマ生成装置１１０は、図１に示すプラズマ生成装置１０と比較して、第１電極４０及び気体導入路７０の代わりに、第１電極１４０及び気体導入路１７０を備える点が異なっている。以下では、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。
【００９６】
第１電極１４０は、プラズマ生成装置１１０が備える一対の電極の一方である。第１電極１４０と第２電極５０との間に所定の電圧が印加された場合に、気体１２中にプラズマ１３が生成される。つまり、第１電極１４０は、反応電極として用いられ、周囲にプラズマ１３が生成される。
【００９７】
第１電極１４０は、絶縁体６０に囲まれている。このとき、第１電極１４０と絶縁体６０との間には、空隙６１が形成される。
【００９８】
第１電極１４０は、流路管２０の内部に少なくとも一部が配置されている。本実施の形態では、第１電極１４０は、一方の端部が流路管２０の内部に配置され、かつ、他方の端部が外部空間３０に配置され、長手方向に貫通し、外部空間３０と流路管２０の内部とを連通する中空部１４１を有する筒状電極である。具体的には、一方の端部は、流路管２０の内部に形成される減圧空間２２に配置されている。
【００９９】
図６に示すように、第１電極１４０は、円筒体である。なお、図６は、本実施の形態に係る第１電極１４０の一部及び絶縁体６０の一部の構成を示す斜視図である。例えば、第１電極１４０は、装置の小型化を実現するため、その外径が所定の値以下である。例えば、第１電極１４０の外径は、２ｍｍ以下であり、一例として２ｍｍである。なお、第１電極１４０としては、実施の形態１に係る金属電極部４１と同じ材料を用いることができる。
【０１００】
中空部１４１は、第１電極１４０を軸方向に貫通する貫通孔である。中空部１４１の直径（第１電極１４０の内径）は、例えば、０．９ｍｍ以下であり、一例として、０．３ｍｍである。なお、中空部１４１には、第１電極１４０の側面を貫通する１以上の貫通孔が別途設けられていてもよい。
【０１０１】
なお、第１電極１４０は、角筒体でもよい。また、中空部１４１の断面（管軸方向に垂直な断面）は、円形に限らず、楕円形又は矩形などでもよい。
【０１０２】
気体導入路１７０は、流路管２０の内部と外部空間３０とを連通する経路であり、第１電極１４０の少なくとも一部を覆うように気体１２を導入するための導入路である。本実施の形態では、気体導入路１７０は、空隙６１と中空部１４１と開口部６２とによって構成される。
【０１０３】
なお、本実施の形態では、絶縁体６０に設けられた開口部６２は、空隙６１と流路管２０の内部とを連通するだけでなく、中空部１４１と流路管２０の内部とを連通する。
【０１０４】
気体導入路１７０の一方の端部は、開口部６２に相当し、流路管２０の内部の減圧空間２２に位置する。具体的には、開口部６２は、流路管２０の中心軸の近傍に配置される。また、気体導入路１７０の他方の端部は、第１電極１４０を貫通する中空部１４１の端部、及び、空隙６１の端部に相当し、外部空間３０に位置する。気体導入路１７０は、当該他方の端部から気体を取り込み、開口部６２から液体１１中に気体を供給する。
【０１０５】
本実施の形態では、実施の形態１と同様に、気体導入路１７０は、液体１１の旋回によって流路管２０の内部に形成された減圧空間２２と外部空間３０との気圧差によって、外部空間３０から減圧空間２２に気体１２を導入する。実施の形態１に比べて、中空部１４１も気体導入路１７０に利用するので、より多くの気体を取り込むことができる。
【０１０６】
なお、変形例として、第１電極１４０と絶縁体６０とが密着していてもよい。つまり、空隙６１が形成されなくともよい。この場合、気体導入路１７０は、中空部１４１によって構成される。
【０１０７】
以上のように、本実施の形態に係るプラズマ生成装置１１０では、第１電極１４０は、長手方向に貫通し、外部空間３０と流路管２０の内部とを連通する中空部１４１を有する筒状電極である。また、気体導入路１７０は、中空部１４１と開口部６２とによって構成される。
【０１０８】
これにより、第１電極１４０を貫通する中空部１４１を気体導入路１７０に利用することができるので、導入された気体１２が第１電極１４０を覆いやすくなる。したがって、第１電極１４０を気体１２が覆った状態で電圧を印加することが容易になり、プラズマ１３の生成に電力を効率良く利用することができ、プラズマ１３を効率良く生成することができる。
【０１０９】
（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生成装置及びプラズマ生成方法について、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。
【０１１０】
例えば、上記の実施の形態では、流路管２０の内壁面に設けられた凹部又は凸部によって液体１１を旋回させたが、これに限らない。例えば、流路管２０の内壁面は、凹部又は凸部が設けられていない滑らかな円筒内面であってもよい。この場合、例えば、流路管２０に設けられた送液装置９５が液体１１を旋回させればよい。すなわち、液体１１を旋回させる方法については、いかなるものでもよい。
【０１１１】
また、例えば、上記の実施の形態では、第１電極４０と絶縁体６０との間に設けられた空隙６１を気体導入路７０に利用したが、これに限らない。気体導入路７０は、第１電極４０及び絶縁体６０とは別体のチューブなどの管状部材で構成されてもよい。例えば、当該管状部材から供給される気体が第１電極４０を覆うように、管状部材の一方の開口を第１電極４０の近傍で、かつ、減圧空間２２に配置すればよい。
【０１１２】
また、例えば、プラズマ生成装置１０は、少なくとも第１電極４０と、第２電極５０と、気体導入路７０とを備えていればよい。具体的には、任意の流路管に第１電極４０、第２電極５０及び気体導入路７０を配置することで、当該流路管内部を旋回しながら流れる液体内でプラズマを生成することができる。
【０１１３】
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】
【０１１４】
本開示は、プラズマを効率良く生成することができるプラズマ生成装置として利用でき、例えば、殺菌装置、水浄化装置、材料加工装置などに利用することができる。
【符号の説明】
【０１１５】
１０、１１０  プラズマ生成装置
１１  液体
１２  気体
１３  プラズマ
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ  流路管
２１、２１ａ  凹部
２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ  凸部
２２  減圧空間
３０  外部空間
４０、１４０  第１電極
４１  金属電極部
４２  金属保持部
５０  第２電極
６０  絶縁体
６１  空隙
６２  開口部
７０、１７０  気体導入路
８０  電源
９０  制御回路
９５  送液装置
１４１  中空部
【図１】
2016083658.tif 000003
【図２】
2016083658.tif 000004
【図３Ａ】
2016083658.tif 000005
【図３Ｂ】
2016083658.tif 000006
【図３Ｃ】
2016083658.tif 000007
【図４】
2016083658.tif 000008
【図５】
2016083658.tif 000009
【図６】
2016083658.tif 000010