(57)【要約】【課題】プラズマを効率良く生成する。【解決手段】液体２１中で一対の電極間にプラズマを生成するプラズマ生成装置１０であって、一対の電極の一方であり、中空部１０１を有する筒状の第１電極１００と、第１電極１００を囲むように配置され、第１電極１００との間に空隙１２１を形成する絶縁体１２０と、一対の電極の他方であり、絶縁体１２０の外側の、液体２１が溜められる外部空間に配置された第２電極１１０とを備え、絶縁体１２０は、外部空間と空隙１２１とを連通する開口部１２２を有し、プラズマ生成装置１０は、さらに、中空部１０１に気体を供給することで、空隙１２１及び開口部１２２を介して液体２１中に気体を放出する気体供給器１３０を備える。【選択図】図１
2016004637.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体中で一対の電極間にプラズマを生成するプラズマ生成装置であって、
前記一対の電極の一方であり、中空部を有する筒状の第１電極と、
前記第１電極を囲むように配置され、前記第１電極との間に空隙を形成する絶縁体と、
前記一対の電極の他方であり、前記絶縁体の外側の、前記液体が溜められる外部空間に配置された第２電極とを備え、
前記絶縁体は、前記外部空間と前記空隙とを連通する開口部を有し、
前記プラズマ生成装置は、さらに、
前記中空部に気体を供給することで、前記空隙及び前記開口部を介して前記液体中に前記気体を放出する気体供給器を備える
プラズマ生成装置。
【請求項２】
前記空隙の空隙長は、前記プラズマの電子温度及び換算電界と、前記気体の媒質密度とに基づいて決定される長さである
請求項１に記載のプラズマ生成装置。
【請求項３】
前記空隙の空隙長は、０．５ｍｍ以下である
請求項１又は２に記載のプラズマ生成装置。
【請求項４】
前記開口部は、前記第１電極の管軸方向に位置し、
前記第１電極の先端は、前記開口部より内側に後退した位置に配置される
請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマ生成装置。
【請求項５】
前記気体供給器は、空気又は酸素ガスを前記気体として供給する
請求項１〜４のいずれか１項に記載のプラズマ生成装置。
【請求項６】
前記プラズマ生成装置は、さらに、
前記一対の電極間に電圧を印加する電源部と、
前記気体供給器が前記気体を供給した後に、前記電圧の印加を前記電源部に行わせることで、前記一対の電極間にプラズマを生成する制御部とを備える
請求項１〜５のいずれか１項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】
本発明は、液体中でプラズマを生成するプラズマ生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、液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〜５０ｋＶ／ｃｍ、１００Ｈｚ〜２０ｋＨｚの負極性の高電圧パルスを印加し、放電を行う。放電のエネルギーによる水の蒸発、及び、衝撃波に伴う気化により、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、上記従来技術では、プラズマの生成効率が低いという課題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、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】
上記課題を解決するため、本発明の一態様に係るプラズマ生成装置は、液体中で一対の電極間にプラズマを生成するプラズマ生成装置であって、前記一対の電極の一方であり、中空部を有する筒状の第１電極と、前記第１電極を囲むように配置され、前記第１電極との間に空隙を形成する絶縁体と、前記一対の電極の他方であり、前記絶縁体の外側の、前記液体が溜められる外部空間に配置された第２電極とを備え、前記絶縁体は、前記外部空間と前記空隙とを連通する開口部を有し、前記プラズマ生成装置は、さらに、前記中空部に気体を供給することで、前記空隙及び前記開口部を介して前記液体中に前記気体を放出する気体供給器を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、プラズマを効率良く生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態に係るプラズマ生成装置の構成を示す図である。
【図２Ａ】実施の形態に係るプラズマ生成装置の第１電極及び絶縁体を示す斜視図である。
【図２Ｂ】実施の形態に係るプラズマ生成装置の第１電極及び絶縁体を示す断面図である。
【図３】実施の形態に係る電子温度と換算電界との関係を示す図である。
【図４】比較例に係るプラズマ生成装置の構成を示す図である。
【図５】比較例に係るプラズマの発光波長とその強度とを示す図である。
【図６】実施の形態に係るプラズマの発光波長とその強度とを示す図である。
【図７Ａ】実施の形態に係るプラズマ生成装置の動作時における第１電極近傍を示す図である。
【図７Ｂ】実施の形態に係るプラズマ生成装置の動作時における第１電極近傍を特定の波長領域のみで示す図である。
【図７Ｃ】実施の形態に係るプラズマ生成装置の動作時における第１電極近傍を模式的に示す図である。
【図８】実施の形態に係る液体中のＯＨラジカルのＥＳＲ法による測定結果を示す図である。
【図９】実施の形態と比較例とに係るプラズマ生成装置によるインディゴカーミン水溶液の濃度変化を示す図である。
【図１０】実施の形態に係るプラズマ生成装置によるインディゴカーミン水溶液の濃度変化を、供給する気体の種別毎に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（本発明の概要）
上記課題を解決するために、本発明の一態様に係るプラズマ生成装置は、液体中で一対の電極間にプラズマを生成するプラズマ生成装置であって、前記一対の電極の一方であり、中空部を有する筒状の第１電極と、前記第１電極を囲むように配置され、前記第１電極との間に空隙を形成する絶縁体と、前記一対の電極の他方であり、前記絶縁体の外側の、前記液体が溜められる外部空間に配置された第２電極とを備え、前記絶縁体は、前記外部空間と前記空隙とを連通する開口部を有し、前記プラズマ生成装置は、さらに、前記中空部に気体を供給することで、前記空隙及び前記開口部を介して前記液体中に前記気体を放出する気体供給器を備える。
【００１１】
これにより、供給された気体を利用して効率良くプラズマを生成することができる。絶縁体と第１電極との間に空隙が形成されるので、例えば、空隙長に応じた電圧を電極間に印加することによってプラズマを効率良く生成することができる。また、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。また、供給する気体の種別を適宜選択することで、ＯＨラジカルなどの活性種を効率良く発生させることができる。これにより、例えば、浄化装置又は殺菌装置などに利用した場合には、効率良く浄化又は殺菌を行うことができる。
【００１２】
また、例えば、前記空隙の空隙長は、前記プラズマの電子温度及び換算電界と、前記気体の媒質密度とに基づいて決定される長さであってもよい。
【００１３】
これにより、プラズマが生成されやすい空隙長の空隙を形成することができるので、より効率良くプラズマを生成することができる。
【００１４】
また、例えば、前記空隙の空隙長は、０．５ｍｍ以下であってもよい。
【００１５】
これにより、プラズマが生成されやすい空隙長の空隙を形成することができるので、より効率良くプラズマを生成することができる。
【００１６】
また、例えば、前記開口部は、前記第１電極の管軸方向に位置し、前記第１電極の先端は、前記開口部より内側に後退した位置に配置されてもよい。
【００１７】
例えば、逆に、第１電極の先端が開口部より外側に突出している場合は、第１電極の先端から放出される気体は、そのまま絶縁体の外部空間に放出されてしまい、第１電極が気体で覆われにくくなる。この場合、第１電極と第２電極との間に液体を介した電流経路が存在するために、プラズマが発生しやすくなる。
【００１８】
これに対して、本構成によれば、第１電極の先端から放出される気体が空隙にスムーズに入りやすくすることができ、第１電極が気体に覆われやすくすることができる。したがって、プラズマをより効率良く生成することができる。
【００１９】
また、例えば、前記気体供給器は、空気又は酸素ガスを前記気体として供給してもよい。
【００２０】
これにより、ＯＨラジカルを容易に生成することができる。
【００２１】
また、例えば、前記プラズマ生成装置は、さらに、前記一対の電極間に電圧を印加する電源部と、前記気体供給器が前記気体を供給した後に、前記電圧の印加を前記電源部に行わせることで、前記一対の電極間にプラズマを生成する制御部とを備えてもよい。
【００２２】
これにより、気体が供給された後に電圧の印加を行うので、投入する電力を効果的にプラズマ生成に利用することができる。例えば、供給した気体によって第１電極が覆われた後に電圧の印加を行うことで、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。
【００２３】
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。
【００２４】
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、本発明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。
【００２５】
（実施の形態１）
［１．プラズマ生成装置の構成］
まず、実施の形態１に係るプラズマ生成装置の構成について、図１、図２Ａ及び図２Ｂ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。図２Ａ及び図２Ｂはそれぞれ、本実施の形態に係るプラズマ生成装置１０の第１電極１００及び絶縁体１２０を示す斜視図及び断面図である。
【００２６】
本実施の形態に係るプラズマ生成装置１０は、一対の電極を備え、液体中で当該一対の電極間にプラズマを生成する。例えば、図１に示すように、プラズマ生成装置１０は、反応槽２０内に溜められた液体２１中でプラズマを生成する。
【００２７】
ここで、反応槽２０は、例えば、図示しない処理槽などに配管を介して接続され、処理槽及び配管とともに液体２１の循環経路を構成する。例えば、反応槽２０は、プラズマ生成装置１０と一体に形成されている。また、プラズマ生成装置１０は、液体２１の流路となる配管の内部空間にプラズマを生成してもよい。すなわち、液体２１が存在する配管の内部空間にプラズマを生成するようにプラズマ生成装置１０を配置してもよい。
【００２８】
液体２１は、例えば、水（純水又は水道水）であるが、これに限らない。例えば、液体２１が水の場合、その誘電率は、約８０である。液体２１は、例えば、浄化又は殺菌などの対象となる液体であり、具体的には、汚染物質などを含む水である。あるいは、液体２１は、浄化などの対象ではなく、例えば、浄化などを行うための水道水でもよい。例えば、プラズマを生成した後の液体２１（プラズマ処理水）を所定の空間に散布することで、空気中の汚染物質などを分解することもできる。
【００２９】
図１に示すように、プラズマ生成装置１０は、第１電極１００と、第２電極１１０と、絶縁体１２０と、気体供給器１３０と、電源部１４０と、制御部１５０と、保持ブロック１６０とを備える。以下では、プラズマ生成装置１０が備える各構成要素について、詳細に説明する。
【００３０】
［１−１．第１電極］
第１電極１００は、プラズマ生成装置１０が備える一対の電極の一方であり、中空部１０１を有する筒状の電極である。具体的には、図２Ａに示すように、第１電極１００は、円筒体である。例えば、第１電極１００は、装置の小型化を実現するため、その外径（図２Ｂのｒ１）が所定の値以下である。例えば、第１電極１００の外径ｒ１は、２ｍｍ以下であり、一例として２ｍｍである。
【００３１】
第１電極１００は、絶縁体１２０に囲まれている。このとき、第１電極１００と絶縁体１２０との間には、空隙１２１が形成される。また、第１電極１００は、保持ブロック１６０に保持される。
【００３２】
第１電極１００は、一方の端部（先端）が液体２１に接触するように配置され、他方の端部（根元）が気体供給器１３０に接続されている。気体供給器１３０から供給される気体は、第１電極１００の中空部１０１を通って第１電極１００の先端から放出されて空隙１２１に入り込み、第１電極１００を覆う。さらに、供給された気体は、絶縁体１２０の開口部１２２を通って、液体２１中に気泡１３１として放出される。なお、気体が供給されない場合に、第１電極１００の先端は液体２１に覆われ、気体が供給された場合には、第１電極１００の先端は気泡１３１に覆われて液体２１には接触しない。
【００３３】
第１電極１００は、反応電極として用いられ、周囲にプラズマ１３２が生成される。具体的には、生成したプラズマ１３２は、気泡１３１内に存在する。
【００３４】
第１電極１００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、第１電極１００は、タングステンから構成される。なお、第１電極１００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。
【００３５】
さらに、第１電極１００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。
【００３６】
中空部１０１は、第１電極１００を軸方向に貫通する貫通孔である。中空部１０１の直径（第１電極１００の内径（図２Ｂのｒ２））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１０１には、第１電極１００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。
【００３７】
なお、第１電極１００は、角筒体でもよい。また、中空部１０１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。
【００３８】
［１−２．第２電極］
第２電極１１０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。
【００３９】
第２電極１１０は、例えば、棒状の電極である。具体的には、第２電極１１０は、円柱体である。例えば、第２電極１１０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１１０の直径は、２ｍｍ以下であり、一例として２ｍｍである。
【００４０】
第２電極１１０は、絶縁体１２０の外側の外部空間に配置されている。なお、外部空間は、液体２１が溜められる空間であり、具体的には、反応槽２０内の空間である。図１に示す例では、第２電極１１０の先端と第１電極１００の先端とが対向するように配置されているが、これに限らない。例えば、第２電極１１０は、第１電極１００と並んで配置されていてもよい。
【００４１】
第２電極１１０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１１０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。
【００４２】
なお、第２電極１１０は、角柱体でもよい。また、第２電極１１０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１１０は、反応槽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。
【００４３】
［１−３．絶縁体］
絶縁体１２０は、第１電極１００を囲むように配置され、第１電極１００との間に空隙１２１を形成する。空隙１２１は、中空部１０１と連通している。さらに、絶縁体１２０は、外部空間と空隙１２１とを連通する開口部１２２を有する。このように、絶縁体１２０は、液体２１から電気的に第１電極１００を絶縁する。
【００４４】
なお、実際には、開口部１２２を介して絶縁体１２０内に液体２１が流入するので、第１電極１００は液体２１と接触している。気体供給器１３０から気体が供給された場合に、開口部１２２を気体が塞ぐことにより、第１電極１００は、液体２１と電気的に絶縁される。
【００４５】
絶縁体１２０は、例えば、図２Ａに示すように、円筒体である。例えば、第１電極１００の管軸方向と絶縁体１２０の管軸方向とが平行になるように、絶縁体１２０の筒内に第１電極１００が配置されている。具体的には、第１電極１００の管軸と絶縁体１２０の管軸とが一致するように、絶縁体１２０と第１電極１００とが配置されている。
【００４６】
絶縁体１２０の内径（開口部１２２の直径、図２ＢのＲ）は、例えば、３ｍｍ以下であり、一例として、２ｍｍである。絶縁体１２０の外径は、特に限定されないが、小型化を実現するためには、例えば、１ｍｍ以下である。
【００４７】
絶縁体１２０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１２０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。
【００４８】
空隙１２１は、いわゆる微小ギャップ（マイクロギャップ）である。空隙１２１の空隙長（図２Ｂのｄ１）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ｄ１は、０．５ｍｍ以下である。具体的な空隙長ｄ１の求め方については、図３を用いて後で説明する。
【００４９】
開口部１２２は、第１電極１００の管軸方向に位置する。つまり、開口部１２２は、第１電極１００の管軸方向と絶縁体１２０とが交差する位置に設けられる。
【００５０】
このとき、第１電極１００の先端は、開口部１２２より内側に所定の距離（図２Ｂのｄ２）だけ後退した位置に配置される。つまり、開口部１２２は、絶縁体１２０の外側の開口面に相当し、第１電極１００の先端は、当該開口面から後退している。後退距離ｄ２は、例えば、７ｍｍ未満であり、好ましくは、３ｍｍ以上５ｍｍ以下である。
【００５１】
第１電極１００の先端が開口部１２２より内側に位置することにより、中空部１０１の先端から放出される気体は、開口部１２２から反応槽２０内に放出されるだけでなく、空隙１２１にも入りやすくなる。空隙１２１に気体が充填されることで、電圧が印加された場合に、空隙１２１内での放電を起こすことができる。
【００５２】
なお、絶縁体１２０は、円筒体に限らず、角筒体でもよい。また、絶縁体１２０は、保持ブロック１６０に保持されているが、反応槽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。
【００５３】
［１−４．気体供給器］
気体供給器１３０は、中空部１０１に気体を供給することで、空隙１２１及び開口部１２２を介して液体２１中に気体を気泡１３１として放出する。気体供給器１３０は、例えば、ポンプである。気体供給器１３０は、例えば、周囲の空気を取り込んで中空部１０１に供給する。あるいは、気体供給器１３０は、アルゴン、ヘリウム又は酸素ガスなどを中空部１０１に供給してもよい。
【００５４】
供給された気体は、絶縁体１２０の開口部１２２を塞ぐ。つまり、気泡１３１が、いわゆる「気体壁」を形成する。これにより、第１電極１００と第２電極１１０との間で、液体２１を介した電流経路が形成されない。すなわち、第１電極１００と第２電極１１０との間には、絶縁体１２０及び気泡１３１の少なくとも一方が介在している。
【００５５】
［１−５．電源部］
電源部１４０は、一対の電極間に所定の電圧を印加する。具体的には、電源部１４０は、第１電極１００と第２電極１１０との間でパルス電圧又は交流電圧を印加する。
【００５６】
例えば、所定の電圧は、２ｋＶ〜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、電源部１４０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、電源部１４０による入力電力は、２００Ｗである。
【００５７】
［１−６．制御部］
制御部１５０は、気体供給器１３０及び電源部１４０の動作を制御する。具体的には、制御部１５０は、気体供給器１３０による気体の供給の開始及び停止のタイミングを制御する。また、制御部１５０は、電源部１４０による電圧の印加の開始及び停止、並びに、電圧の大きさなどを制御する。
【００５８】
具体的には、制御部１５０は、気体供給器１３０が気体を供給した後に、電圧の印加を電源部１４０に行わせることで、一対の電極間にプラズマ１３２を生成する。例えば、制御部１５０は、気体供給器１３０から供給された気体によって第１電極１００が覆われた後に、第１電極１００と第２電極１１０との間に電圧を印加する。これにより、第１電極１００と第２電極１１０とが気泡１３１によって絶縁された後に電圧が印加されるので、印加された電圧を効率良くプラズマの生成に利用することができる。
【００５９】
［１−７．保持ブロック］
保持ブロック１６０は、第１電極１００及び絶縁体１２０を保持するための部材である。保持ブロック１６０は、例えば、反応槽２０に固定されている。なお、保持ブロック１６０は、反応槽２０と一体に形成されてもよく、あるいは、別体で設けられてもよい。
【００６０】
［２．空隙長］
続いて、本実施の形態に係る空隙１２１の空隙長ｄ１について、図３を用いて説明する。図３は、実施の形態に係る電子温度と換算電界との関係を示す図である。
【００６１】
プラズマを生成するのに必要な電圧を推定する方法にはいくつかあるが、本実施の形態では、ボルツマン方程式の直接解を用いる。つまり、図３に示すような換算電界Ｅ／Ｎ［Ｔｄ］の関数として計算される電子温度の平均値Ｔｅ［ｅＶ］に基づいて、液中プラズマを生成するのに必要な電圧を推定した。
【００６２】
一般的に、プラズマを生成するためには、電子温度が５ｅＶ〜１０ｅＶに達する必要があると考えられている。本実施の形態では、その中央値として電子温度が７．５ｅＶである場合を採用した。図３に示すグラフに基づいて、７．５ｅＶに対応する換算電界が３５０Ｔｄであることが分かる。
【００６３】
空気の媒質密度Ｎの平均値は、２．７×１０２５／ｍ３であるので、電子温度７．５ｅＶを得るのに必要な電界Ｅは、９．５×１０６Ｖ／ｍ（＝３５０［Ｔｄ］×１×１０−２１［Ｖｍ２］×２．７×１０２５［／ｍ３］）になる。したがって、印加電圧が５ｋＶである場合、一対の電極間の距離は、０．５ｍｍ（＝５［ｋＶ］÷９．５×１０６［Ｖ／ｍ］×１０３）となる。
【００６４】
本実施の形態では、第１電極１００は、空隙１２１を介して絶縁体１２０によって囲まれており、その外部空間に第２電極１１０が配置されている。このため、電極間の距離が絶縁体１２０の内径の１／２に相当する。また、上述した計算からは電極間の距離が０．５ｍｍと算出されたが、絶縁体１２０の内径Ｒを２ｍｍとしたため、空隙長ｄ１を実際には０．０５ｍｍにした。この場合であっても、効率良くプラズマを生成することができる。
【００６５】
なお、電源部１４０は、変圧器と制御回路とを備え、３０ｋＨｚで９ｋＶの最大電圧を供給する。出力電圧は、整流ダイオードを用いて正弦波から正弦半波形に整流される。最大電圧は、電源部１４０から供給される擬似パルスである。
【００６６】
これらの推定に基づいて、後述する比較例に係るプラズマ生成装置（図４参照）の場合と比較して、消費電力を９０％減らすことができる。
【００６７】
［３．液中プラズマ］
続いて、本実施の形態に係るプラズマ生成装置１０が液体２１中に生成するプラズマ１３２について、比較例に係るプラズマ生成装置と比較しながら説明する。
【００６８】
［３−１．比較例］
まず、比較例に係るプラズマ生成装置について、図４を用いて説明する。図４は、比較例に係るプラズマ生成装置１０ａの構成を示す図である。
【００６９】
図４に示すように、比較例に係るプラズマ生成装置１０ａは、第１電極１００ａと、第２電極１１０と、電源部１４０とを備える。なお、図１に示すプラズマ生成装置１０と同じ構成については、同じ符号を付して説明を省略する場合がある。
【００７０】
第１電極１００ａは、例えば、第２電極１１０と同一の柱状の金属電極である。第１電極１００ａと第２電極１１０とは、互いの先端が対向するように配置されている。例えば、第１電極１００ａと第２電極１１０とは、約２ｍｍ離間している。
【００７１】
電源部１４０が第１電極１００ａと第２電極１１０との間に所定の高電圧を印加することで、電極間の液体２１中に高電流が流れ、気泡１３１ａが発生する（瞬間沸騰現象）。プラズマ１３２ａは、気泡１３１ａ内に生成される。なお、気泡１３１ａは、電極周囲の水が蒸発した水蒸気である。
【００７２】
［３−２．プラズマの発光波長とその強度］
次に、比較例に係るプラズマ生成装置１０ａが生成するプラズマ１３２ａと、本実施の形態に係るプラズマ生成装置１０が生成するプラズマ１３２とのそれぞれの発光波長とその強度とについて、図５及び図６を用いて説明する。図５は、比較例に係るプラズマ１３２ａの発光波長とその強度とを示す図である。図６は、本実施の形態に係るプラズマ１３２の発光波長とその強度とを示す図である。なお、図５及び図６は、電源部１４０が２００Ｗの電力を投入した際に生成したプラズマを示している。
【００７３】
図４に示すように、比較例に係るプラズマ生成装置１０ａでは、電極間に生じる気泡１３１ａ内でプラズマ１３２ａが生成する。気泡１３１ａは、電極への電圧印加による液体２１の蒸発によって生じるので、その大きさには限度がある。
【００７４】
このため、比較例に係るプラズマ生成装置１０ａでは、図５に示すように、直径約２ｍｍのプラズマ１３２ａが生成される。つまり、プラズマ１３２ａのサイズは、電極の直径に略等しくなる。
【００７５】
これに対して、本実施の形態に係るプラズマ生成装置１０では、気体供給器１３０が液体２１中に気体を供給することで、大きな気泡１３１を形成する。これにより、気泡１３１内に生成されるプラズマ１３２を大きくすることができる。
【００７６】
このため、本実施の形態に係るプラズマ生成装置１０では、図６に示すように、比較例より大きな約１ｃｍのプラズマ１３２が生成される。つまり、プラズマ１３２のサイズは、電極の直径に依存せず、気体供給器１３０が供給する気体の量に依存する。例えば、気体供給器１３０が供給する気体の量を多くする程、プラズマ１３２を大きくすることができる。
【００７７】
また、本実施の形態に係るプラズマ生成装置１０が生成するプラズマ１３２と、比較例に係るプラズマ生成装置１０ａが生成するプラズマ１３２ａとでは、その種が異なっている。
【００７８】
図５に示すように、比較例に係るプラズマ１３２ａの発光スペクトルには、約６５６ｎｍでの水素ラジカル（Ｈ）の輝線と、約７７７ｎｍでの酸素ラジカル（Ｏ）の輝線とが見られる。つまり、プラズマ１３２ａには、水素ラジカルと酸素ラジカルとが含まれる。
【００７９】
ここで、ヒドロキシラジカル（ＯＨ）の輝線（約３０９ｎｍ）は見られなかった。これは、比較例に係るプラズマ生成装置１０ａでは、高電流が流れるために水分子の解離が進んだためと考えられる。
【００８０】
一方で、図６に示すように、本実施の形態に係るプラズマ１３２の発光スペクトルには、酸素ラジカルの輝線及び水素ラジカルの輝線だけでなく、窒素ラジカル（Ｎ）の輝線及びヒドロキシラジカルの輝線が見られる。つまり、プラズマ１３２には、水素ラジカル、酸素ラジカル、窒素ラジカル、及び、ヒドロキシラジカルが含まれる。
【００８１】
本実施の形態では、液体２１中の気泡１３１は、気体供給器１３０から供給された空気を含んでいる。したがって、比較例とは異なり、プラズマ１３２の発光スペクトルでは、窒素ラジカルの輝線が見られる。また、ＯＨラジカルの輝線が見られたことから、水分子の解離は比較例程には進んでおらず、高電流が流れていないと考えられる。
【００８２】
［３−３．ＯＨラジカル］
上述したように、プラズマ１３２の発光スペクトルからＯＨラジカルの存在は確認することができた。しかしながら、ＯＨラジカルは寿命が短いため、殺菌などに利用するためには、発生したＯＨラジカルが拡散及び伝播されていることを確認する必要がある。
【００８３】
図７Ａ〜図７Ｃは、本実施の形態に係るプラズマ生成装置１０の動作時における第１電極１００近傍を示す図である。具体的には、図７Ａは、第１電極１００近傍を撮影した写真であり、図７Ｂは、第１電極１００近傍を特定の波長領域のみを透過するフィルタを介して撮影した写真である。具体的には、図７Ｂは、３０６ｎｍ±５ｎｍの波長領域を通すバンドパスフィルタを介して撮影した写真である。また、図７Ｃは、第１電極１００近傍を模式的に示している。
【００８４】
図７Ａ及び図７Ｃに示すように、気泡１３１が絶縁体１２０の開口部１２２から液体２１中に放出されている。そして、図７Ｂに示すように、気泡１３１内でプラズマ１３２が生成されている。
【００８５】
プラズマ１３２は、気泡１３１の流れ（上昇）に従って、プラズマ１３２も広がっている。また、プラズマ１３２は、絶縁体１２０内、具体的には、第１電極１００の中空部１０１内及び空隙１２１内にも存在している。このように、ＯＨラジカルは、気泡１３１の気体壁には局所集中していない。ＯＨの輝点は、気泡１３１の中心に見られ、多くのＯＨが気泡１３１の中心に集まっていることが分かる。
【００８６】
ここで、ＥＳＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｉｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）法を用いて液体２１中のＯＨラジカルを測定した結果について、図８を用いて説明する。図８は、本実施の形態に係るプラズマ１３２によって処理された液体２１中のＯＨラジカルのＥＳＲ法による測定結果を示す図である。
【００８７】
ＯＨラジカルをＥＳＲ法によって測定する場合に、ＯＨラジカルをスピントラップ剤に結合させて測定する方法を用いている。スピントラップ剤としては、例えば、ＤＭＰＯ（５，５−ｄｉｍｅｔｈｙｌ−１−ｐｙｒｒｏｌｉｎｅ  Ｎ−Ｏｘｉｄｅ）を用いた。ＤＭＰＯにトラップされたＯＨラジカルの寿命は、ＥＳＲ測定時間以上に長くなり、ＯＨラジカルを定量的に測定することができる。具体的には、ＯＨラジカルはＤＭＰＯと反応し、ＤＭＰＯ−ＯＨが形成される。ＤＭＰＯ−ＯＨは、ＥＳＲによって測定可能なスピンアダクトである。
【００８８】
本実施の形態では、ＤＭＰＯを液体２１に入れるタイミングとして、液体２１中でプラズマ１３２を生成した後で、ＤＭＰＯを添加する方法（スナップショット法）を用いた。これにより、ＯＨラジカルの寿命を検出することができる。
【００８９】
図８に示すように、超微細構造によって別れた分裂幅を示す超微細結合定数ＡＮとＡＨとがともに１．４９ｍＴで、１：２：２：１の４本のＥＳＲスペクトルが観測されている。ここで、超微細結合定数とは、ＥＳＲ法で測定できるパラメータの１つであり、測定されたＥＳＲスペクトルと超微細結合定数とからラジカルの存在を知ることができる。
【００９０】
具体的には、図８に示す観測されたＥＳＲスペクトルから、ＤＭＰＯ−ＯＨアダクトが存在することが分かる。これは、プラズマ１３２中で生成したＯＨイオンが気泡１３１と液体２１との界面で電子と再結合してＯＨラジカルになり、液体２１中に拡散し、水中でＯＨラジカルが存在することを明確に示している。このことは、ＯＨラジカルの寿命は、マイクロ秒〜ミリ秒よりも十分に長いことを示している。
【００９１】
なお、多くの微小気泡が液中プラズマによって発生している。例えば、ナノ粒子追跡解析法（Ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ  Ｔｒａｃｋ  Ａｎａｌｙｓｉｓ：ＮＴＡ）により、１ｃｍ３あたり約１×１０７の濃度の微小気泡が見られた。プラズマ１３２によって発生した微小気泡は、消失するまでの期間が長く、この微小気泡がＯＨラジカルの長寿命化に寄与していると考えられる。
【００９２】
［４．インディゴカーミンの分解速度］
続いて、本実施の形態に係るプラズマ生成装置１０を用いてインディゴカーミン水溶液を分解した結果について、図９を用いて説明する。図９は、本実施の形態と比較例とに係るプラズマ生成装置１０及び１０ａによるインディゴカーミン水溶液の濃度変化を示す図である。
【００９３】
インディゴカーミンの濃度変化（分解速度）は、水溶液の吸光度により評価できる。なお、インディゴカーミンが分解すると、インディゴカーミン水溶液の青色が消色し、完全に分解すると透明になることが知られている。これは、インディゴカーミン分子中に存在する炭素の二重結合（Ｃ＝Ｃ）による吸収波長が約６１０ｎｍ（青色）であり、インディゴカーミン分子が分解することによって二重結合が開裂し、青色の光の吸収がなくなるためである。
【００９４】
したがって、インディゴカーミンの分解の程度は、紫外可視光分光高度計を用いて約６１０ｎｍの波長の光の吸光度を測定することにより行なった。つまり、図９は、吸光度を正規化した値の時間変化を、インディゴカーミンの濃度変化として示している。なお、インディゴカーミン水溶液の濃度は、約１０ｍｇ／ｌであり、体積は、約６００ｍｌである。また、供給する気体は空気である。
【００９５】
［４−１．比較例との比較］
図９に示すように、本実施の形態に係るプラズマ生成装置１０によれば、電源部１４０が２００Ｗの電力を投入した場合（図９の黒丸）、約１０分でインディゴカーミンが略完全に分解することができた。一方で、比較例に係るプラズマ生成装置１０ａによれば、電源部１４０が２００Ｗの電力を投入した場合（図９の白丸）、インディゴカーミンが略完全に分解するまでに、約１９０分を要している。
【００９６】
また、本実施の形態に係るプラズマ生成装置１０において、電源部１４０が３０Ｗの電力を投入した場合（図９の黒四角）、約５０分でインディゴカーミンが略完全に分解することができた。このように、投入電力を約７分の１にした場合であっても、比較例に係るプラズマ生成装置１０ａに比べて、十分に速い速度でインディゴカーミンを分解することができたことが分かる。
【００９７】
以上のように、本実施の形態に係るプラズマ生成装置１０によれば、分解速度を高めることができるので、例えば、殺菌などに要する時間及び電力を短縮することができる。
【００９８】
［４−２．供給気体毎の分解速度］
ここで、気体供給器１３０が供給する気体の種別に応じた分解速度の違いについて、図１０を用いて説明する。図１０は、本実施の形態に係るプラズマ生成装置１０によるインディゴカーミン水溶液の濃度変化を、供給する気体の種別毎に示す図である。
【００９９】
図１０に示すように、アルゴン（Ａｒ）、二酸化炭素（ＣＯ２）、空気、酸素（Ｏ２）の順で、インディゴカーミンの分解速度が速くなっている。つまり、気体供給器１３０が酸素ガスを供給する場合、空気を供給する場合に比べて、より短期間でインディゴカーミン水溶液を分解することができる。短期間で分解が行えることから、電力の投入期間も短くすることができ、消費電力を低減することができる。
【０１００】
また、図９に示したように、空気を供給した場合であっても十分に速い速度でインディゴカーミンを分解することができる。したがって、気体供給器１３０は周囲の空気を取り込んで供給するだけでよいので、構成を容易にすることができる。また、周囲の空気を利用することから、費用を削減することもできる。
【０１０１】
［５．まとめ］
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２１中で一対の電極間にプラズマを生成するプラズマ生成装置１０であって、一対の電極の一方であり、中空部１０１を有する筒状の第１電極１００と、第１電極１００を囲むように配置され、第１電極１００との間に空隙１２１を形成する絶縁体１２０と、一対の電極の他方であり、絶縁体１２０の外側の、液体２１が溜められる外部空間に配置された第２電極１１０とを備え、絶縁体１２０は、外部空間と空隙１２１とを連通する開口部１２２を有し、プラズマ生成装置１０は、さらに、中空部１０１に気体を供給することで、空隙１２１及び開口部１２２を介して液体２１中に気体を放出する気体供給器１３０を備える。
【０１０２】
これにより、供給された気体を利用して効率良くプラズマを生成することができる。絶縁体と第１電極との間に空隙が形成されるので、例えば、空隙長に応じた電圧を電極間に印加することによってプラズマを効率良く生成することができる。
【０１０３】
また、例えば、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。例えば、電源を小型化することができ、かつ、費用を削減することができる。
【０１０４】
また、供給する気体の種別を適宜選択することで、ＯＨラジカルなどの活性種を効率良く発生させることができる。これにより、例えば、浄化装置又は殺菌装置などに利用した場合には、効率良く浄化又は殺菌を行うことができる。
【０１０５】
（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について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本発明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、本発明の範囲内に含まれる。
【０１０６】
例えば、上記の実施の形態では、第１電極１００は、その周囲全てに空隙１２１が形成されるように、すなわち、絶縁体１２０と接しないように配置されているが、これに限らない。例えば、第１電極１００の側面の一部が絶縁体１２０と接していてもよい。具体的には、図１において紙面下側の空隙１２１が形成されずに、紙面上側のみの空隙１２１が形成されてもよい。このように、空隙１２１は、中空部１０１と連通し、かつ、開口部１２２を介して外部空間と連通していればよく、その位置、及び、大きさなどは適宜変更することができる。
【０１０７】
また、上記の実施の形態では、絶縁体１２０の開口部１２２が第１電極１００の管軸方向に位置する例について説明したが、これに限らない。例えば、開口部１２２は、第１電極１００の側方に設けられてもよい。具体的には、円筒体である絶縁体１２０の側面を貫通する開口部１２２が設けられてもよい。
【０１０８】
また、上記の実施の形態では、絶縁体１２０が１つのみの開口部１２２を有する構成について説明したが、これに限らない。例えば、絶縁体１２０は、複数の開口部１２２を有してもよい。
【０１０９】
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】
【０１１０】
本発明は、液体中で効率良くプラズマを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】
【０１１１】
１０、１０ａ  プラズマ生成装置
２０  反応槽
２１  液体
１００、１００ａ  第１電極
１０１  中空部
１１０  第２電極
１２０  絶縁体
１２１  空隙
１２２  開口部
１３０  気体供給器
１３１、１３１ａ  気泡
１３２、１３２ａ  プラズマ
１４０  電源部
１５０  制御部
１６０  保持ブロック
【図１】
2016004637.tif 000003
【図２Ａ】
2016004637.tif 000004
【図２Ｂ】
2016004637.tif 000005
【図３】
2016004637.tif 000006
【図４】
2016004637.tif 000007
【図７Ｃ】
2016004637.tif 000008
【図８】
2016004637.tif 000009
【図９】
2016004637.tif 000010
【図１０】
2016004637.tif 000011
【図５】
2016004637.tif 000012
【図６】
2016004637.tif 000013
【図７Ａ】
2016004637.tif 000014
【図７Ｂ】
2016004637.tif 000015