(57)【要約】【課題】液体中の気泡の内部にプラズマを容易に発生し、改質対象物の改質効率を簡便に向上することができる気泡内プラズマ処理装置を提供する。【解決手段】実施の形態の気泡内プラズマ処理装置は、液体を流通させる流路と、前記流路に設けられ、前記液体を減圧して前記液体中に複数の気泡を生成する気泡生成部と、前記気泡に電磁波を照射して前記気泡の内部にプラズマを発生させる電磁波照射部とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を流通させる流路と、
前記流路に設けられ、前記液体を減圧して前記液体中に複数の気泡を生成する気泡生成部と、
前記気泡に電磁波を照射して前記気泡の内部にプラズマを発生させる電磁波照射部と
を備える気泡内プラズマ処理装置。
【請求項２】
前記気泡生成部は、前記液体の圧力を前記液体の飽和蒸気圧よりも低くする請求項１に記載の気泡内プラズマ処理装置。
【請求項３】
液体を流通させる流路と、
前記流路に設けられ、前記液体に気体を供給して前記液体中に複数の気泡を生成する気泡生成部と、
前記気泡に電磁波を照射して前記気泡の内部にプラズマを発生させる電磁波照射部と
を備える気泡内プラズマ処理装置。
【請求項４】
前記気泡を含む液体を貯留するタンクをさらに備え、
前記電磁波照射部は、前記タンクに貯留する前記液体中の気泡に電磁波を照射する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の気泡内プラズマ処理装置。
【請求項５】
前記電磁波照射部は、前記流路を流通する前記液体中の気泡に、前記流路に形成された電磁波透過部材を介して電磁波を照射する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の気泡内プラズマ処理装置。
【請求項６】
前記気泡生成部に供給される液体を第１の気体で加圧して前記第１の気体を前記液体に溶解させる気体溶解部をさらに備える請求項１乃至５のいずれか１項に記載の気泡内プラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、気泡内プラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、プラズマを用いた改質技術が幅広く利用されている。例えば液体を改質する場合、液体中にプラズマを発生させる、気相プラズマを液体に接触させるなどによって、液体はプラズマで改質される。
【０００３】
液体中でプラズマを発生させる場合、例えば、液体中に間隔を隔てて設けられた電極対間の電位差で形成される放電によって、プラズマが発生する。この液体中のプラズマは、プラズマに接液している部分において、液体そのものを改質または分解（以下、改質ともいう）したり、液体中に含まれる物質を無害なものに改質したりすることが可能である。
【０００４】
また、液体中に設けられた電極対間に局所的に気泡を生成し、電極対間に形成される放電によって、液体中で局所的に生成された気泡の内部に気相プラズマを発生させることができる。この局所的に生成された気泡の内部の気相プラズマは、気相プラズマに接触している部分において、液体や液体中の物質を改質することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−５００１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記したようにプラズマを用いて改質対象物である液体や液体中の物質を改質する場合、液体中で局所的に発生したプラズマは、接液している改質対象物を改質する。また、液体中で局所的に形成した気泡内の気相プラズマは、接触している改質対象物を改質する。しかしながら、このようなプラズマは局所的に発生するため、改質対象物の改質効率が非常に低い。
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、液体中の気泡の内部にプラズマを容易に発生し、改質対象物の改質効率を簡便に向上することができる気泡内プラズマ処理装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施の形態の気泡内プラズマ処理装置は、液体を流通させる流路と、前記流路に設けられ、前記液体を減圧して前記液体中に複数の気泡を生成する気泡生成部と、前記気泡に電磁波を照射して前記気泡の内部にプラズマを発生させる電磁波照射部とを備える。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置を示す模式図である。
【図２】第１の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置を構成する気泡生成部を流通する液体の圧力分布を示すグラフである。
【図３】第２の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置を示す模式図である。
【図４】第３の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置を示す模式図である。
【図５】第４の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置を示す模式図である。
【図６】第５の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置を示す模式図である。
【図７】第６の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置を示す模式図である。
【図８】第７の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１１】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置１００を示す模式図である。気泡内プラズマ処理装置１００は、液体２を流通させる流路５と、流路５に設けられ、流路５を流通する液体２を減圧して液体２中に複数の気泡７を生成する気泡生成部６と、気泡生成部６で生成した気泡７に電磁波８を照射して気泡７の内部に気相プラズマを発生させる電磁波照射部９とを備える。
【００１２】
流路５は、矢印Ｘの方向に液体２を流通させる。流路５の構成は、その内部で液体２を流通させることができれば、特には限定されない。例えば、流路５は一般的な配管によって構成される。
【００１３】
気泡生成部６は、流路５の内部に設けられる。また、気泡生成部６は、液体２の流れる方向に沿って流路５の径を徐々に絞るオリフィス構造部６ａを有する。換言すると、オリフィス構造部６ａは、液体２の流れる方向に向かって流路断面積を減少するノズル構成を有している。液体２が気泡生成部６を通過するとき、液体２の流れはオリフィス構造部６ａによって絞られる。そのため、オリフィス構造部６ａを通過する前の液体２の流速に比べて、オリフィス構造部６ａを通過する液体２の流速は大きくなり、オリフィス構造部６ａを通過する液体２の圧力が低下する。
【００１４】
図２は、気泡内プラズマ処理装置１００を構成する気泡生成部６を流通する液体２の圧力分布を示すグラフである。液体２が気泡生成部６のオリフィス構造部６ａを通過するとき、オリフィス構造部６ａによって流路５が絞られ、液体２の流速が増加する。そのため、オリフィス構造部６ａを通過する前の液体２の圧力に比べて、オリフィス構造部６ａを通過中の液体２の圧力およびオリフィス構造部６ａを通過した直後の液体２の圧力は急激に低くなる。ここで、図２において、位置＝Ｐとはオリフィス構造部６ａの入口の位置であり、位置＝０とはオリフィス構造部６ａの出口の位置である。
【００１５】
オリフィス構造部６ａによって局所的に減圧した液体２の圧力が液体２の飽和蒸気圧よりも低くなると、液体２が減圧沸騰し、さらには液体２に溶解している気体（以下、溶存気体ともいう）が遊離することによって、液体２中に多数の気泡７が生成される。このように、気泡生成部６に設けられているオリフィス構造部６ａは、流路５を流れる液体２の圧力を局所的に減少させ、液体２の圧力を液体２の飽和蒸気圧よりも低くすることによって、液体２中に気泡７を生成する。
【００１６】
気泡生成部６を流通する液体２の減圧沸騰によって生成された気泡、および気泡生成部６を流通する液体２中の溶存気体の遊離によって生成された気泡は、沸騰して蒸発した液体２の蒸気、液体２中の溶存気体、液体２に含まれる不純物などの各種物質を含む。液体２の減圧沸騰によって生成された気泡には、多くの液体２の蒸気が含まれる。
【００１７】
電磁波照射部９は、気泡生成部６によって生成された気泡７に電磁波８を照射する。電磁波照射部９は、例えば、所定の周波数を有する電磁波８を発振する発振器１０と、発振器１０から発振した電磁波８を伝播させる導波管１１と、導波管１１の内部を伝播した電磁波８を気泡７に照射するホーンアンテナ１２とを備える。発振器１０の構成は、気泡７に照射する電磁波８の種類に応じて適宜選択される。導波管１１の構成は、電磁波８をホーンアンテナ１２に伝播することができれば、特には限定されない。ホーンアンテナ１２は、円形や方形の断面を有し、開口の方向に沿って断面積を徐々に拡大した形状を有し、開口の方向に対して電磁波８の指向性を有する構成である。ここでは、図１に示すように電磁波８が後述する回収タンク４内に貯留している液体２中の気泡７に照射される一例を示すが、電磁波８は回収タンク４に貯留される前に流路５から排出された液体２中の気泡７に照射されてもよい。
【００１８】
電磁波照射部９から照射される電磁波８は、３００ＭＨｚ〜３０ＧＨｚの周波数を有するマイクロ波などが挙げられる。マイクロ波による放電は、気泡７を構成するガス状の分子を直接的に振動加熱し、気泡７の内部を励起して、気泡７内に気相プラズマを発生する。また、電磁波８にマイクロ波を用いることによって、液体２中にはプラズマを発生させるための電極などの構成が不要となる。
【００１９】
気泡内プラズマ処理装置１００は、矢印Ｘの方向に沿って液体２を流通させる流路５の上流側の端部に接続される貯留タンク３を備えてもよい。貯留タンク３は、気泡生成部６に供給する液体２を貯留している。貯留タンク３の下流側の流路５、例えば貯留タンク３と気泡生成部６との間の流路５には、液送ポンプ１が設けられている。液送ポンプ１は、貯留タンク３に貯留している液体２を気泡生成部６に供給する。気泡内プラズマ処理装置１００が貯留タンク３を備えることで、貯留タンク３に貯留している液体２を所定の時間安定して気泡生成部６に供給することができる。
【００２０】
また、気泡内プラズマ処理装置１００は、気泡生成部６によって生成された気泡７を含む液体２を貯留する回収タンク４を備えてもよい。回収タンク４は、流路５の下流側の端部と接続されている。気泡生成部６を通過した気泡７を含む液体２は、流路５内を流通して回収タンク４に供給される。電磁波照射部９は、回収タンク４内に貯留している液体２中の気泡７に電磁波８を照射する。気泡内プラズマ処理装置１００が回収タンク４を備えることで、回収タンク４に回収された液体２中に存在している多数の気泡７に電磁波８を安定して照射することができる。
【００２１】
また、気泡内プラズマ処理装置１００は、回収タンク４に貯留している液体２を、貯留タンク３を介して流路５に循環させる循環部１３を備えてもよい。循環部１３は、例えば、回収タンク４と貯留タンク３とを接続する流路１４と、流路１４に設けられる除去部材１５とを備える。流路１４は、矢印Ｙの方向に液体２を流通させ、液体２を貯留タンク３に供給する。流路１４の構成は、その内部で液体２を流通させることができれば、特には限定されない。例えば、流路１４は一般的な配管によって構成される。また、流路１４と回収タンク４との接続部は、回収タンク４の底部側であることが好ましい。この接続部が回収タンク４の底部側にあると、回収タンク４内の気泡７が流路１４内に流入することを抑制することができる。除去部材１５は、後述する気泡７の内部に発生する気相プラズマの改質によって生じる生成物を液体２中から除去する。除去部材１５は、フィルターなどから構成され、生成物のサイズや物性に応じて適宜選択される。気泡内プラズマ処理装置１００が循環部１３を備えることで、液体２は気泡内プラズマ処理装置１００内を循環することができ、後述する気相プラズマによって液体２や液体２に含まれる物質を繰り返し改質することができる。そのため、液体２を改質する場合には、液体２を再利用することができる。また、液体２に含まれる物質を改質する場合には、液体２の循環回数の増加につれて、液体２の純度を向上することができる。
【００２２】
液体２は、例えば、原油、ガソリン、灯油、廃油、ベンゼン、アルコールなどの液体の炭化水素が挙げられる。また、液体２は、農薬、有機物質、難分解性物質であるダイオキシンなどの有害物質を含む廃液などであってもよい。
【００２３】
次に、気泡内プラズマ処理装置１００による気相プラズマの発生の流れ、および発生した気相プラズマによって生じる改質反応について説明する。
【００２４】
図１に示すように、流路５内を流れる液体２は、気泡生成部６に供給される。気泡生成部６に供給された液体２が気泡生成部６のオリフィス構造部６ａを通過するにつれて、液体２の流れはオリフィス構造部６ａによって絞られる。そのため、液体２がオリフィス構造部６ａを通過するにつれて、液体２の流速が大きくなり、液体２の圧力は急激に低くなる。そして、減圧された液体２の圧力が液体２の飽和蒸気圧よりも低くなると、液体２の減圧沸騰および液体２中の溶存気体の遊離によって、気泡７が液体２中に生成される。
【００２５】
液体２中に生成された多数の気泡７には、電磁波照射部９から電磁波８が照射される。電磁波８、例えばマイクロ波が回収タンク４に貯留する液体２中の気泡７に照射されると、気泡７の内部がマイクロ波によって励起されて、気泡７の内部に気相プラズマが発生する。このとき、気泡生成部６によって生成された気泡７内の圧力は低いため、気相プラズマは気泡７内に容易に発生する。気泡７の内部に発生した気相プラズマには、液体２の蒸気、液体２中の溶存気体、液体２に含まれる物質などの電離したものなどが含まれる。そのため、気泡７内に発生した気相プラズマによって、気泡７内に存在する液体２の蒸気、液体２中の溶存気体、液体２に含まれる物質などが改質される。さらには、気泡７内に発生した気相プラズマは、気泡７と液体２との気液界面で気相プラズマと接触する液体２や液体２中に含まれる物質を改質する。
【００２６】
例えば原油、ガソリン、灯油、廃油、ベンゼン、アルコールなどの液体の炭化水素（液体２）が改質対象物である場合、気相プラズマは、気泡７の内部をプラズマ処理し、気泡７内の炭化水素および気泡７と液体２との界面近傍の炭化水素を改質して、水素およびカーボン、場合によっては副生成物である少量のメタンやアセチレンなどを発生させる。このとき、二酸化炭素は発生しない。気相プラズマによって生じた粉末状のカーボンは、例えば除去部材１５によって液体２から除去される。また、メタンやアセチレンなどの副生成物が発生した場合、例えば、発生した水素などの気体は回収タンク４に設けられた流路１６を流通し、メタンやアセチレンなどの副生成物は分離部材１７によって容易に分離されて、高濃度の水素が製造される。分離部材１７は、例えば水素の分子サイズとメタンやアセチレンなどの副生成物の分子サイズとの違いを利用した分離膜から構成される。また、廃液（液体２）に含まれる農薬、有機物質、難分解性物質であるダイオキシンなどの有害物質が改質対象物である場合には、気相プラズマは廃液中の有害物質を改質して廃液を無害化することができる。
【００２７】
上記したように、第１の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置１００によれば、気泡生成部６が液体２を減圧することによって、多数の気泡７が液体２中に生成される。電磁波照射部９から多数の気泡７に照射した電磁波８は、多数の気泡７の内部に気相プラズマを発生させる。気相プラズマは多数の気泡７の内部に発生することから、液体２や液体２に含まれる物質などの改質対象物と気相プラズマとの接触面積は増加する。そのため、気相プラズマによる改質対象物の改質効率が向上される。さらには、気泡生成部６によって生成される気泡７内の圧力は低いので、気相プラズマは容易に発生することができる。
【００２８】
さらに、気泡生成部６によって生成された気泡７の内部には、改質対象物の電離したものが含まれる。電磁波照射部９からの電磁波８の照射によって気泡７の内部に発生した気相プラズマは、気泡７と液体２との界面近傍に存在する改質対象物に加えて、気泡７の内部に存在する改質対象物も改質することができる。そのため、気相プラズマによる改質対象物の改質量が増加する。
【００２９】
さらに、電磁波照射部９から照射する電磁波８がマイクロ波であると、マイクロ波は気泡７の内部を直接励起して気相プラズマを早く発生することができ、その結果、改質対象物を早く改質することができる。そのため、気相プラズマの発生時間の短縮や改質対象物の改質量の制御が容易になる。また、液体２中にはプラズマを発生させるための電極などの構成が不要となる。
【００３０】
さらに、原油、ガソリン、灯油、廃油、ベンゼン、アルコールなどの液体の炭化水素が改質対象物である場合、改質対象物が気相プラズマによって改質されて、水素が発生する。このとき、二酸化炭素は発生しない。このように、気泡内プラズマ処理装置１００は改質対象物を改質して二酸化炭素を発生させずに水素を製造することができる。そのため、気泡内プラズマ処理装置１００は、地球温暖化に貢献したクリーンな水素製造装置として使用することができる。
【００３１】
（第２の実施の形態）
図３は、第２の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置２００を示す模式図である。なお、以下に示す実施の形態において、第１の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置１００の構成と同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。
【００３２】
第２の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置２００において、流路２０５および電磁波照射部２０９の構成が異なる以外は、第１の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置１００の構成と基本的に同じである。そのため、ここでは、その異なる構成について主に説明する。
【００３３】
第２の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置２００は、液体２を流通させる流路２０５と、流路２０５に設けられる気泡生成部６と、気泡生成部６によって生成した気泡７に電磁波８を照射して気泡７の内部に気相プラズマを発生させる電磁波照射部２０９とを備える。
【００３４】
流路２０５は、矢印Ｘの方向に液体２を流通させる。気泡生成部６の下流側、言い換えると気泡生成後の流路２０５の少なくとも一部は、電磁波照射部２０９から照射される電磁波８を透過する電磁波透過部材２０５ａから形成される。電磁波透過部材２０５ａは、例えば、石英ガラス、アルミナのようなセラミックスなどの誘電体からなる。
【００３５】
電磁波照射部２０９は、気泡生成部６によって生成された気泡７に電磁波８を照射する。電磁波照射部２０９は、例えば、所定の周波数を有する電磁波８を発振する発振器１０と、発振器１０から発振した電磁波８を伝播させる導波管１１とを備える。電磁波照射部２０９は、気泡生成部６の下流側の流路２０５に対して設置され、流路２０５に形成された電磁波透過部材２０５ａを介して流路２０５内を流通する気泡７に電磁波８を照射する。電磁波照射部２０９の導波管１１から放出される電磁波８は、流路２０５に設けられている電磁波透過部材２０５ａを透過して、気泡生成部６の下流側の流路２０５内を流通している液体２中の気泡７に照射される。
【００３６】
次に、気泡内プラズマ処理装置２００による気相プラズマの発生の流れ、および発生した気相プラズマによって生じる改質反応について説明する。
【００３７】
図３に示すように、流路２０５内を流れる液体２は、気泡生成部６に供給される。気泡生成部６が液体２を減圧することによって、気泡７が液体２中に生成される。
【００３８】
流路２０５内を流通している液体２中に生成された多数の気泡７には、電磁波照射部２０９から電磁波８が照射される。このとき、電磁波照射部２０９から照射された電磁波８は流路２０５に形成された電磁波透過部材２０５ａを透過する。そして、電磁波透過部材２０５ａを透過した電磁波８が流路２０５内を流通している液体２中に含まれる気泡７に照射されると、流路２０５内を流通している気泡７の内部が励起されて、気泡７の内部に気相プラズマが発生する。気泡７内に発生した気相プラズマは、気泡７内に存在する液体２の蒸気、液体２中の溶存気体、液体２に含まれる物質などを改質する。さらには、気泡７内に発生した気相プラズマは、気泡７と液体２との気液界面で気相プラズマと接触する液体２や液体２中に含まれる物質を改質する。
【００３９】
上記したように、第２の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置２００によれば、気泡生成部６が液体２を減圧することによって、多数の気泡７が液体２中に生成される。流路２０５内を流通している液体２中に生成された多数の気泡７には、電磁波照射部２０９から放出されて電磁波透過部材２０５ａを透過した電磁波８が照射される。電磁波透過部材２０５ａを透過した電磁波８は、多数の気泡７の内部に気相プラズマを発生させる。気相プラズマは多数の気泡７の内部に発生することから、液体２や液体２に含まれる物質などの改質対象物と気相プラズマとの接触面積は増加する。そのため、気相プラズマによる改質対象物の改質効率が向上される。さらには、気泡生成部６によって生成される気泡７内の圧力は低いので、気相プラズマは容易に発生することができる。また、電磁波照射部２０９は流路２０５内を流通している多数の気泡７に電磁波８を照射して気相プラズマを発生するため、気泡内プラズマ処理装置２００は流路２０５内で改質対象物を改質することができる。
【００４０】
さらに、気泡生成部６によって生成された気泡７の内部には、改質対象物の電離したものが含まれる。電磁波照射部２０９からの電磁波８の照射によって気泡７の内部に発生した気相プラズマは、気泡７と液体２との界面近傍に存在する改質対象物に加えて、気泡７の内部に存在する改質対象物も改質することができる。そのため、気相プラズマによる改質対象物の改質量が増加する。
【００４１】
（第３の実施の形態）
図４は、第３の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置３００を示す模式図である。なお、以下に示す実施の形態において、第１の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置１００の構成と同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。
【００４２】
第３の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置３００において、流路３０５および気泡生成部３０６の構成が異なる以外は、第１の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置１００の構成と基本的に同じである。そのため、ここでは、その異なる構成について主に説明する。
【００４３】
第３の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置３００は、液体２を流通させる流路３０５と、流路３０５に設けられ、流路３０５を流通する液体２に気体を供給して液体２中に複数の気泡７を生成する気泡生成部３０６と、気泡生成部３０６によって生成した気泡７に電磁波８を照射して気泡７の内部に気相プラズマを発生させる電磁波照射部９とを備える。
【００４４】
流路３０５は、矢印Ｘの方向に液体２を流通させる。流路３０５の構成は、その内部で液体２を流通させることができれば、特には限定されない。
【００４５】
気泡生成部３０６は、例えば液送ポンプ１と回収タンク４との間の流路５に設けられる。気泡生成部３０６は、例えば、液体２に供給する気体を貯蔵している気体供給部３０６ａと、気体供給部３０６ａと流路３０５とを接続し、気体供給部３０６ａから排出された気体を流路３０５に流通させる流路３０６ｂとを備える。気体供給部３０６ａは、液体２に供給する気体を貯蔵および排出することができれば、特には限定されない。例えば、気体供給部３０６ａは、ボンベからなる。気体供給部３０６ａの気体の供給量は、液体の粘度などによって適宜選択される。流路３０６ｂの構成は、その内部で気体供給部３０６ａから排出される気体を流通させることができれば、特には限定されない。
【００４６】
気泡生成部３０６は、流路３０６ｂを介して、気体供給部３０６ａから排出された気体を、流路３０５内を流通している液体２に供給する。気体が気泡生成部３０６から液体２に供給されることによって、液体２中には多数の気泡７が生成される。液体２が重油などの高粘性で飽和蒸気圧の高い液体である場合であっても、気泡生成部３０６は液体２中に気泡７を生成することができる。
【００４７】
気泡生成部３０６によって生成した気泡には、気泡生成部３０６から供給された気体が多く含まれる。気泡生成部３０６から供給される気体は、窒素、アルゴンのような希ガスなどの不活性ガスであることが好ましい。気泡生成部３０６から供給される気体が不活性ガスであると、電磁波照射部９から照射される電磁波８は、不活性ガスを多く含む気泡７の内部に気相プラズマを容易に発生させることができる。
【００４８】
次に、気泡内プラズマ処理装置３００による気相プラズマの発生の流れ、および発生した気相プラズマによって生じる改質反応について説明する。
【００４９】
図４に示すように、液体２は流路３０５内を流通する。流路３０５内を流通している液体２には、気泡生成部３０６から気体が供給される。気泡生成部３０６が液体２に気体を供給することによって、気泡７が液体２中に生成される。
【００５０】
液体２中に生成された多数の気泡７には、電磁波照射部９から電磁波８が照射される。電磁波８が液体２中に含まれる気泡７に照射されると、気泡７の内部が励起されて、気泡７の内部に気相プラズマが発生する。このとき、気泡生成部３０６によって生成された気泡７内には多くの不活性ガスが存在するため、気相プラズマは気泡７内に容易に発生する。気泡７内に発生した気相プラズマは、気泡７と液体２との気液界面で気相プラズマと接触する液体２や液体２中に含まれる物質を改質する。
【００５１】
上記したように、第３の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置３００によれば、気泡生成部３０６が流路３０５内を流通している液体２に気体を供給することによって、多数の気泡７が液体２中に生成される。電磁波照射部９から多数の気泡７に照射した電磁波８は、多数の気泡７の内部に気相プラズマを発生させる。気相プラズマは多数の気泡７の内部に発生することから、液体２や液体２に含まれる物質などの改質対象物と気相プラズマとの接触面積は増加する。そのため、気相プラズマによる改質対象物の改質効率が向上される。さらには、気泡生成部３０６によって生成される気泡７の内部には多くの不活性ガスが含まれるので、気相プラズマは容易に発生することができる。
【００５２】
さらに、液体２が粘度の高い液体や飽和蒸気圧の高い液体であっても、気泡生成部３０６はこれら液体中に気泡を生成することができる。そのため、気泡内プラズマ処理装置３００は、粘度や飽和蒸気圧の高い液体を改質することができる。
【００５３】
（第４の実施の形態）
図５は、第４の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置４００を示す模式図である。なお、以下に示す実施の形態において、第１の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置１００の構成と同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。
【００５４】
第４の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置４００において、流路４０５および気泡生成部３０６の構成が異なる以外は、第１の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置１００の構成と基本的に同じである。そのため、ここでは、その異なる構成について主に説明する。
【００５５】
第４の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置４００は、液体２を流通させる流路４０５と、流路４０５に設けられ、流路４０５を流通する液体２を減圧して液体２中に複数の気泡７を生成する気泡生成部６と、気泡生成部６の下流側の流路４０５に設けられ、流路４０５を流通する液体２に気体を供給して液体２中に複数の気泡７を生成する気泡生成部３０６と、気泡生成部６および気泡生成部３０６によって生成した気泡７に電磁波８を照射して気泡７の内部に気相プラズマを発生させる電磁波照射部９とを備える。
【００５６】
流路４０５は、矢印Ｘの方向に液体２を流通させる。流路４０５を流通している液体２が気泡生成部６を通過することによって、気泡７が液体２中に生成される。
【００５７】
気泡生成部３０６は、気泡生成部６の下流側の流路４０５に設けられる。そして、気泡生成部３０６は、気泡生成部６を通過した直後の液体２に気体を供給する。気泡生成部６を通過した直後の液体２の圧力は、気泡生成部６によって減少している。気泡生成部３０６は、このような液体２の減圧を利用して、局所的に減圧した液体２に気体をより多く供給することができる。より多くの気体が気泡生成部３０６から液体２に供給されることによって、液体２中には多数の気泡７が容易に生成される。そのため、気泡生成部３０６は、気泡生成部６によって最も減圧された液体２の箇所に気体を供給することが好ましい。
【００５８】
次に、気泡内プラズマ処理装置４００による気相プラズマの発生の流れ、および発生した気相プラズマによって生じる改質反応について説明する。
【００５９】
図５に示すように、流路４０５内を流れる液体２は、気泡生成部６に供給される。気泡生成部６が液体２を減圧することによって、気泡７が液体２中に生成される。続いて、気泡生成部６を通過した直後の液体２には、気泡生成部３０６から気体が供給される。気泡生成部３０６が液体２に気体を供給することによって、気泡７が液体２中に生成される。
【００６０】
液体２中に生成された多数の気泡７には、電磁波照射部９から電磁波８が照射される。電磁波８が回収タンク４に貯留する液体２中に含まれる気泡７に照射されると、気泡７の内部が励起されて、気泡７の内部に気相プラズマが発生する。気泡７内に発生した気相プラズマは、気泡７内に存在する液体２の蒸気、液体２中の溶存気体、液体２に含まれる物質などを改質する。さらには、気泡７内に発生した気相プラズマは、気泡７と液体２との気液界面で気相プラズマと接触する液体２や液体２中に含まれる物質を改質する。
【００６１】
上記したように、第４の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置４００によれば、気泡生成部６が液体２を減圧することによって、多数の気泡７が液体２中に生成される。さらには、気泡生成部３０６が気泡生成部６を通過した直後の液体２に気体を供給することによって、多数の気泡７が液体２中に生成される。電磁波照射部９から多数の気泡７に照射した電磁波８は、多数の気泡７の内部に気相プラズマを発生させる。気相プラズマは多数の気泡７の内部に発生することから、液体２や液体２に含まれる物質などの改質対象物と気相プラズマとの接触面積は増加する。そのため、気相プラズマによる改質対象物の改質効率が向上される。さらには、気泡生成部３０６は、気泡生成部６を通過することによって減圧された液体２に気体を供給する。気泡生成部３０６は、局所的に減圧した液体２により多くの気体を供給するため、液体２中に気泡７を容易に生成することができる。
【００６２】
（第５の実施の形態）
図６は、第５の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置５００を示す模式図である。なお、以下に示す実施の形態において、第１の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置１００の構成と同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。
【００６３】
第５の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置５００において、流路５０５および電磁波照射部２０９の構成が異なる以外は、第４の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置４００の構成と基本的に同じである。そのため、ここでは、その異なる構成について主に説明する。
【００６４】
第５の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置５００は、液体２を流通させる流路５０５と、流路５０５に設けられ、流路５０５を流通する液体２を減圧して液体２中に複数の気泡７を生成する気泡生成部６と、気泡生成部６の下流側の流路５０５に設けられ、流路５０５を流通する液体２に気体を供給して液体２中に複数の気泡７を生成する気泡生成部３０６と、気泡生成部６および気泡生成部３０６によって生成した気泡７に電磁波８を照射して気泡７の内部に気相プラズマを発生させる電磁波照射部２０９とを備える。
【００６５】
流路５０５は、矢印Ｘの方向に液体２を流通させる。気泡生成部３０６の下流側の流路５０５の少なくとも一部は、電磁波照射部２０９から照射される電磁波８を透過する電磁波透過部材５０５ａから形成される。電磁波透過部材５０５ａは、例えば、石英ガラス、アルミナのようなセラミックスなどの誘電体からなる。
【００６６】
次に、気泡内プラズマ処理装置５００による気相プラズマの発生の流れ、および発生した気相プラズマによって生じる改質反応について説明する。
【００６７】
図６に示すように、流路５０５内を流れる液体２は、気泡生成部６に供給される。気泡生成部６が液体２を減圧することによって、気泡７が液体２中に生成される。続いて、気泡生成部６を通過した直後の液体２には、気泡生成部３０６から気体が供給される。気泡生成部３０６が液体２に気体を供給することによって、気泡７が液体２中に生成される。
【００６８】
流路５０５内を流通している液体２中に生成された多数の気泡７には、電磁波照射部２０９から電磁波透過部材５０５ａを介して電磁波８が照射される。そして、電磁波８が流路５０５内を流通している液体２中に含まれる気泡７に照射されると、流路５０５内を流通している気泡７の内部が励起されて、気泡７の内部に気相プラズマが発生する。気泡７内に発生した気相プラズマは、気泡７内に存在する液体２の蒸気、液体２中の溶存気体、液体２に含まれる物質などを改質する。さらには、気泡７内に発生した気相プラズマは、気泡７と液体２との気液界面で気相プラズマと接触する液体２や液体２中に含まれる物質を改質する。
【００６９】
上記したように、第５の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置５００によれば、気泡生成部６が液体２を減圧することによって、多数の気泡７が液体２中に生成される。さらには、気泡生成部３０６が気泡生成部６を通過した直後の液体２に気体を供給することによって、多数の気泡７が液体２中に生成される。流路５０５内を流通している液体２中に生成された多数の気泡７には、電磁波照射部２０９から放出されて電磁波透過部材５０５ａを透過した電磁波８が照射される。電磁波透過部材５０５ａを透過した電磁波８は、多数の気泡７の内部に気相プラズマを発生させる。気相プラズマは多数の気泡７の内部に発生することから、液体２や液体２に含まれる物質などの改質対象物と気相プラズマとの接触面積は増加する。そのため、気相プラズマによる改質対象物の改質効率が向上される。さらには、気泡生成部３０６は、気泡生成部６を通過することによって減圧された液体２に気体を供給する。気泡生成部３０６は、局所的に減圧した液体２により多くの気体を供給するため、液体２中に気泡７を容易に生成することができる。また、電磁波照射部２０９は流路５０５内を流通している多数の気泡７に電磁波８を照射して気相プラズマを発生するため、気泡内プラズマ処理装置５００は流路５０５内で改質対象物を改質することができる。
【００７０】
（第６の実施の形態）
図７は、第６の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置６００を示す模式図である。なお、以下に示す実施の形態において、第１の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置１００の構成と同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。
【００７１】
第６の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置６００において、流路６０５の構成が異なり、気体溶解部６２０の構成を追加する以外は、第１の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置１００の構成と基本的に同じである。そのため、ここでは、その異なる構成について主に説明する。
【００７２】
第６の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置６００は、液体２を流通させる流路６０５と、流路６０５に設けられ、気泡生成部６に供給される液体２を気体で加圧して気体を液体２に溶解させる気体溶解部６２０と、気体溶解部６２０の下流側の流路６０５に設けられ、流路６０５を流通する液体２を減圧して液体２中に複数の気泡７を生成する気泡生成部６と、気泡生成部６によって生成した気泡７に電磁波８を照射して気泡７の内部に気相プラズマを発生させる電磁波照射部９とを備える。
【００７３】
流路６０５は、矢印Ｘの方向に液体２を流通させる。流路６０５の構成は、その内部で液体２を流通させることができれば、特には限定されない。
【００７４】
気体溶解部６２０は、気泡生成部６の上流側の流路６０５に設けられる。気体溶解部６２０は、例えば、気泡生成部６に供給される前の液体２に溶解させる気体を貯蔵している気体供給部６２０ａと、気体供給部６２０ａに接続し、気体供給部６２０ａから排出された気体を流通させる流路６２０ｂと、流路６２０ｂに接続し、流路６２０ｂから供給された気体を液体２に溶解させる溶解槽６２０ｃと、溶解槽６２０ｃの下流側の流路６０５に設けられ、溶解槽６２０ｃで溶解かつ分離されない気体を分離させる分離槽６２０ｄとを備える。
【００７５】
気体供給部６２０ａは、液体２に供給する気体を貯蔵および排出することができれば、特には限定されない。気体供給部６２０ａの気体の供給量は、液体の粘度などによって適宜選択される。流路６２０ｂの構成は、その内部で気体供給部６２０ａから排出される気体を流通させ、加圧した気体を溶解槽６２０ｃに貯留している液体２に溶解させることができれば、特には限定されない。例えば、流路６２０ｂの下流側が溶解槽６２０ｃに貯留している液体２に浸漬し、少なくとも１つの開口部６２０ｅが液体２に浸漬している流路６２０ｂの下流側の上面に設けられている。そして、開口部６２０ｅから排出した加圧気体は液体２中にバブリングする。
【００７６】
気体供給部６２０ａは、流路６２０ｂを介して、排出されて加圧された気体を、溶解槽６２０ｃに貯留している液体２に供給する。流路６２０ｂによって加圧された気体が気泡生成部６の上流側に設けられている溶解槽６２０ｃ内の液体２に供給されることによって、気体が溶解槽６２０ｃ内の液体２に溶解する。流路６２０ｂから溶解槽６２０ｃに供給された全ての気体が液体２に溶解しない場合、液体２に溶解しない一部の気体は、溶解槽６２０ｃ内の上方に溜まって、液体２から分離される。さらに、溶解槽６２０ｃ内の上方に分離されない気体は、溶解槽６２０ｃの下流側の流路６０５に設けられた分離槽６２０ｄの上方に溜まって、分離槽６２０ｄに貯留している液体２から分離される。
【００７７】
気体溶解部６２０によって液体２に溶解される気体は、窒素、アルゴンのような希ガスなどの不活性ガス、および液体２の物性に類似するガスであることが好ましい。液体２が炭化水素である場合には、気体はメタンやアセチレンなどの低級炭化水素であることが好ましい。液体２に溶解される気体が不活性ガスであると、電磁波照射部９から照射される電磁波８は、不活性ガスを含む気泡７の内部に気相プラズマを容易に発生させることができる。また、液体２に溶解される気体が液体２の物性に類似するガスであると、気相プラズマによる改質対象物の改質によって生じる副生成物は分離部材１７で容易に分離されることができる。
【００７８】
次に、気泡内プラズマ処理装置６００による気相プラズマの発生の流れ、および発生した気相プラズマによって生じる改質反応について説明する。
【００７９】
図７に示すように、液送ポンプ１から排出した流路６０５内を流れる液体２は、気体溶解部６２０に供給される。気体溶解部６２０は、気泡生成部６に供給する前、言い換えると気泡生成部６の上流側の液体２に加圧した気体を溶解させる。気体溶解部６２０で気体を溶解させた液体２は、気泡生成部６に供給される。気泡生成部６が気体を溶解した液体２を減圧することによって、気泡７が液体２中に生成される。このとき、予め加圧した気体を溶解している液体２を減圧するため、気泡生成部６で生成される気泡７のサイズは微小である。
【００８０】
液体２中に生成された多数の気泡７には、電磁波照射部９から電磁波８が照射される。電磁波８が回収タンク４に貯留する液体２中に含まれる気泡７に照射されると、気泡７の内部が励起されて、気泡７の内部に気相プラズマが発生する。このとき、気泡生成部６によって生成された気泡７内の圧力は低いため、さらには、気泡７内には不活性ガスが存在するため、気相プラズマは気泡７内に容易に発生する。気泡７の内部に発生した気相プラズマには、液体２の蒸気、液体２に含まれる気体、液体２に含まれる物質などの電離したものなどが含まれる。そのため、気泡７内に発生した気相プラズマは、気泡７内に存在する液体２の蒸気、液体２中の溶存気体、液体２に含まれる物質などを改質する。さらには、気泡７内に発生した気相プラズマは、気泡７と液体２との気液界面で気相プラズマと接触する液体２や液体２中に含まれる物質を改質する。
【００８１】
上記したように、第６の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置６００によれば、気体溶解部６２０が気泡生成部６に供給される液体２に気体を溶解し、気泡生成部６が気体を溶解している液体２を減圧することによって、多数の気泡７が液体２中に生成される。気泡生成部６は、気体溶解部６２０によって予め加圧した気体を溶解している液体２を減圧することから、気泡生成部６によって生成される多数の気泡７は微小である。電磁波照射部９から多数の微小な気泡７に照射した電磁波８は、多数の微小な気泡７の内部に気相プラズマを発生させる。気相プラズマは多数の微小な気泡７の内部に発生することから、液体２や液体２に含まれる物質などの改質対象物と気相プラズマとの接触面積はより増加する。そのため、気相プラズマによる改質対象物の改質効率がより向上される。
【００８２】
（第７の実施の形態）
図８は、第７の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置７００を示す模式図である。なお、以下に示す実施の形態において、第１の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置１００の構成と同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。
【００８３】
第７の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置７００において、流路７０５および電磁波照射部２０９の構成が異なり、気体溶解部６２０の構成を追加する以外は、第１の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置１００の構成と基本的に同じである。そのため、ここでは、その異なる構成について主に説明する。
【００８４】
第７の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置７００は、液体２を流通させる流路７０５と、流路７０５に設けられ、気泡生成部６に供給される液体２を気体で加圧して気体を液体２に溶解させる気体溶解部６２０と、気体溶解部６２０の下流側の流路７０５に設けられ、流路７０５を流通する液体２を減圧して液体２中に複数の気泡７を生成する気泡生成部６と、気泡生成部６によって生成した気泡７に電磁波８を照射して気泡７の内部に気相プラズマを発生させる電磁波照射部２０９とを備える。
【００８５】
流路７０５は、矢印Ｘの方向に液体２を流通させる。気泡生成部６の下流側の流路７０５の少なくとも一部は、電磁波照射部２０９から照射される電磁波８を透過する電磁波透過部材７０５ａから形成される。電磁波透過部材７０５ａは、例えば、石英ガラス、アルミナのようなセラミックスなどの誘電体からなる。
【００８６】
次に、気泡内プラズマ処理装置７００による気相プラズマの発生の流れ、および発生した気相プラズマによって生じる改質反応について説明する。
【００８７】
図８に示すように、液送ポンプ１から排出した流路７０５内を流れる液体２は、気体溶解部６２０に供給される。気体溶解部６２０は、気泡生成部６に供給する前の液体２に加圧した気体を溶解させる。気体溶解部６２０で気体を溶解させた液体２は、気泡生成部６に供給される。気泡生成部６が気体を溶解した液体２を減圧することによって、気泡７が液体２中に生成される。
【００８８】
流路７０５内を流通している液体２中に生成された多数の気泡７には、電磁波照射部２０９から電磁波透過部材７０５ａを介して電磁波８が照射される。そして、電磁波８が流路７０５内を流通している液体２中に含まれる気泡７に照射されると、流路７０５内を流通している気泡７の内部が励起されて、気泡７の内部に気相プラズマが発生する。気泡７内に発生した気相プラズマは、気泡７内に存在する液体２の蒸気、液体２中の溶存気体、液体２に含まれる物質などを改質する。さらには、気泡７内に発生した気相プラズマは、気泡７と液体２との気液界面で気相プラズマと接触する液体２や液体２中に含まれる物質を改質する。
【００８９】
上記したように、第７の実施の形態の気泡内プラズマ処理装置７００によれば、気体溶解部６２０が気泡生成部６に供給される液体２に気体を溶解し、気泡生成部６が気体を溶解している液体２を減圧することによって、多数の微小な気泡７が液体２中に生成される。流路７０５内を流通している液体２中に生成された多数の微小な気泡７には、電磁波照射部２０９から放出されて電磁波透過部材７０５ａを透過した電磁波８が照射される。電磁波透過部材２０５ａを透過した電磁波８は、多数の微小な気泡７の内部に気相プラズマを発生させる。気相プラズマは多数の微小な気泡７の内部に発生することから、液体２や液体２に含まれる物質などの改質対象物と気相プラズマとの接触面積はより増加する。そのため、気相プラズマによる改質対象物の改質効率がより向上される。さらには、電磁波照射部２０９は流路７０５内を流通している多数の微小な気泡７に電磁波８を照射して気相プラズマを発生するため、気泡内プラズマ処理装置７００は流路７０５内で改質対象物を改質することができる。
【００９０】
以上説明した少なくとも一つの実施の形態によれば、液体中の気泡の内部にプラズマを容易に発生し、改質対象物の改質効率を簡便に向上することができる。
【００９１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００９２】
１…液送ポンプ、２…液体、３…貯留タンク、４…回収タンク、５，２０５，３０５，４０５，５０５，６０５，７０５…流路、２０５ａ，５０５ａ，７０５ａ…電磁波透過部材、６，３０６…気泡生成部、６ａ…オリフィス構造部、７…気泡、８…電磁波、９，２０９…電磁波照射部、１０…発振器、１１…導波管、１２…ホーンアンテナ、１３…循環部、１４…流路、１５…除去部材、１６…流路、１７…分離部材、１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００…気泡内プラズマ処理装置、３０６ａ…気体供給部、３０６ｂ…流路、６２０…気体溶解部、６２０ａ…気体供給部、６２０ｂ…流路、６２０ｃ…溶解槽、６２０ｄ…分離槽、６２０ｅ…開口部。
【図１】
2017117645.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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