JP2007059318A - Plasma generator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液体中に超音波及びマイクロ波を照射してプラズマを発生させるプラズマ発生装置に関するものである。 The present invention relates to a plasma generator for generating plasma by irradiating a liquid with ultrasonic waves and microwaves.
所定周波数域の強力な超音波を液体に照射すると、キャビテーションと呼ばれる気泡が発生し、その圧縮、崩壊過程を経てホットスポットと呼ばれる数千度、数千気圧の反応場が局所的に形成されることが知られている。近年ではこの反応場は一種の極限反応場として注目を浴びており、この極限反応場を利用して液体の処理(例えば、化学反応の誘起・促進、物質の分散、殺菌、乳化等の処理)を行う超音波処理装置の開発が進められている。 When a liquid is irradiated with powerful ultrasonic waves in a predetermined frequency range, bubbles called cavitation are generated, and a reaction field of several thousand degrees and several thousand atmospheres called hot spots is formed locally through compression and collapse processes. It is known. In recent years, this reaction field has attracted attention as a kind of limit reaction field, and liquid processing (for example, induction / promotion of chemical reaction, dispersion of substance, sterilization, emulsification, etc.) using this limit reaction field. Development of an ultrasonic treatment apparatus that performs the above-mentioned process is underway.
また、キャビテーションの発生領域にマイクロ波を重畳させることでプラズマ(ソノプラズマ)を発生させるプラズマ発生装置が提案されている(例えば、特許文献1)。この装置を用いれば、プラズマを発生させることで反応場の温度を高めることができ、液体中の反応が促進される。
ところで、特許文献1にはプラズマ発生装置におけるマイクロ波照射手段の詳細が具体的に開示されておらず、その発明の詳細な説明や図面等の記載から類推すると、キャビテーションの発生領域にアンテナからマイクロ波を照射する構成を採用しているものと考えられる。この装置では、導波管で伝搬されたマイクロ波をアンテナで一旦高周波信号に変換する必要があり、その変換時にエネルギーが損失してしまう。
By the way,
そこで本願発明者らは、キャビテーションの発生領域に導波管からマイクロ波を直接照射する新規なプラズマ発生装置を試作した。図11に示すように、そのプラズマ発生装置61では、容器62内において超音波ホーン63に対向する位置に導波管64が配置され、その導波管64の先端が液体W中に入れられている。このプラズマ発生装置61では、液体Wとのインピーダンスマッチングをとるために、導波管64の内部には石英などの誘電体(マイクロ波透過体)65が充填されている。従ってこの装置によれば、特許文献1に記載の装置よりも効率よくプラズマを発生可能であるが、その反面でインピーダンスマッチングを十分にとることができないおそれがある。すなわち、マイクロ波透過体65の先端は平坦面であり、液体Wとの界面でインピーダンスが急激に変化してその界面でマイクロ波が反射するため、マイクロ波の照射効率が低下してしまうからである。
Therefore, the inventors of the present application made a prototype of a novel plasma generator that directly irradiates microwaves from a waveguide to a cavitation generation region. As shown in FIG. 11, in the
図12には、マイクロ波の照射時における導波管64内及び液体W中における電界強度を示している。なお、図12において、縦軸には電界強度をとり、横軸には導波管64の先端点Oを基準にしたy方向の距離をとっている。図12に示されるように、液体W中においては、最大電界強度が1/4以下に減衰していることがわかる。またこの場合、マイクロ波透過体65と液体Wとの界面における反射率は0.7であり、この界面でマイクロ波が反射してしまうことが確認された。
FIG. 12 shows the electric field strength in the
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、液体中のキャビテーション発生領域に対して導波管からマイクロ波を効率よく照射することができるプラズマ発生装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a plasma generator capable of efficiently irradiating microwaves from a waveguide onto a cavitation generation region in a liquid. is there.
上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、液体を導入可能な容器と、前記容器内の液体中に超音波を照射してキャビテーションを多発的に生じさせる超音波照射手段と、マイクロ波発生器により発生したマイクロ波を導波管を介して伝搬させ、前記導波管の先端から前記液体におけるキャビテーション発生領域に照射することにより、放電プラズマを発生させるマイクロ波照射手段とを備え、前記導波管は、先端が前記容器内に突出するように配置された管本体と、前記管本体の先端の内部に配置されたマイクロ波透過体とを有し、前記マイクロ波透過体の先端部に、前記管本体の長手方向に対して傾斜した面が形成されていることを特徴とするプラズマ発生装置をその要旨とする。
In order to solve the above problems, the invention described in
また、請求項2に記載の発明は、液体を導入可能な容器と、前記容器内の液体中に超音波を照射してキャビテーションを多発的に生じさせる超音波照射手段と、マイクロ波発生器により発生したマイクロ波を導波管を介して伝搬させ、前記導波管の先端から前記液体におけるキャビテーション発生領域に照射することにより、放電プラズマを発生させるマイクロ波照射手段とを備え、前記導波管は、先端が前記容器内に突出するように配置された管本体と、前記管本体の先端の内部に配置されたマイクロ波透過体とを有し、前記マイクロ波透過体の先端部に凹凸が形成されていることを特徴とするプラズマ発生装置をその要旨とする。 The invention according to claim 2 includes a container into which a liquid can be introduced, an ultrasonic irradiation means for irradiating ultrasonic waves into the liquid in the container to generate cavitation frequently, and a microwave generator. A microwave irradiation means for generating discharge plasma by propagating the generated microwave through the waveguide and irradiating the cavitation generation region in the liquid from the tip of the waveguide; Has a tube body arranged so that the tip projects into the container, and a microwave transmission body arranged inside the tip of the tube body, and the tip of the microwave transmission body is uneven. The gist of the plasma generator is that it is formed.
請求項1及び2に記載の発明によれば、導波管の先端部をキャビテーション発生領域の近くに配置させ、その導波管からマイクロ波を液体中に直接照射することができる。また、請求項1に記載の発明のように、マイクロ波透過体の先端部に傾斜面を形成したり、請求項2に記載の発明のように、マイクロ波透過体の先端部に凹凸を形成したりすることで、マイクロ波透過体と液体との境界においてインピーダンスを緩やかに変化させることができる。このように構成すると、マイクロ波透過体の先端部でのマイクロ波の反射を抑制することができ、放電プラズマを効率よく発生させることができる。また、導波管の先端の内部にマイクロ波透過体を配置したことで、そのマイクロ波透過体がいわば蓋として機能する結果、容器内に突出して配置された導波管内への液体の侵入が防止される。
According to the first and second aspects of the invention, the tip of the waveguide can be disposed near the cavitation generation region, and microwaves can be directly irradiated into the liquid from the waveguide. Further, as in the invention described in
前記マイクロ波透過体は誘電体であることが好ましく(請求項5)、具体的には比誘電率が前記液体よりも小さく、空気よりも大きい誘電体にて形成されることがよく、その好適例としては石英を挙げることができる。石英は上記の好適な性質を有するため、マイクロ波を効率よく伝搬することができる。また、石英は比較的加工性がよいため、傾斜面や凹凸を形成する加工を比較的容易に行うことができ、マイクロ波透過体の製造コストを抑えることができる。 The microwave transmitting body is preferably a dielectric (Claim 5), and specifically, it is preferably formed of a dielectric having a relative dielectric constant smaller than that of the liquid and larger than that of air. An example is quartz. Since quartz has the above-mentioned preferable properties, it can propagate microwaves efficiently. In addition, since quartz has relatively good processability, it is possible to relatively easily perform the process of forming the inclined surface and the unevenness, and the manufacturing cost of the microwave transmission body can be suppressed.
請求項3に記載の発明は、請求項1または2において、前記管本体の外形形状は略円形状であり、前記マイクロ波透過体の断面形状は略矩形状であり、前記容器には、前記導波管の先端を入れる管本体挿通孔が設けられるとともに、前記管本体の外周面に当接した状態で前記管本体挿通孔との隙間をシールするシール部材が設けられることをその要旨とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, the outer shape of the tube main body is a substantially circular shape, and the cross-sectional shape of the microwave transmitting body is a substantially rectangular shape. The gist of the invention is that a tube main body insertion hole for inserting the distal end of the waveguide is provided, and a seal member for sealing a gap between the tube main body insertion hole and the outer peripheral surface of the tube main body is provided. .
請求項3に記載の発明によれば、マイクロ波透過体の断面形状は略矩形状であるので、マイクロ波を効率よく伝搬させることができる。また、管本体の外形形状は略円形状であり角部などの出っ張りを有していないので、シール部材を管本体の外周面に当接した状態で配置させることによって、管本体と管本体挿通孔との隙間を容易にシールすることができる。 According to invention of Claim 3, since the cross-sectional shape of a microwave permeation | transmission body is substantially rectangular shape, a microwave can be propagated efficiently. Also, since the outer shape of the tube body is substantially circular and does not have protrusions such as corners, the tube body and the tube body can be inserted by placing the seal member in contact with the outer peripheral surface of the tube body. The gap with the hole can be easily sealed.
請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3のいずれか1項において、前記容器内部への管本体の突出量を変更可能な構造を有することをその要旨とする。 The gist of a fourth aspect of the present invention is that, in any one of the first to third aspects, it has a structure capable of changing a protruding amount of the tube main body into the container.
請求項4に記載の発明によれば、キャビテーション発生領域に対するマイクロ波の照射位置(定在波の位置)を調整することができ、放電プラズマを効率よく発生させることができる。 According to the fourth aspect of the present invention, it is possible to adjust the microwave irradiation position (standing wave position) with respect to the cavitation generation region, and to efficiently generate discharge plasma.
以上詳述したように、請求項1〜5に記載の発明によると、液体中のキャビテーション発生領域に対して導波管からマイクロ波を効率よく照射す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。 As described above in detail, according to the first to fifth aspects of the present invention, it is possible to provide a plasma generator capable of efficiently irradiating microwaves from a waveguide onto a cavitation generation region in a liquid. it can.
以下、本発明をプラズマ発生装置に具体化した一実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図1は本実施の形態のプラズマ発生装置11を示す概略構成図であり、図2はそのプラズマ発生装置11の要部断面図である。
Hereinafter, an embodiment in which the present invention is embodied in a plasma generator will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a
図1に示されるように、プラズマ発生装置11は、液体を導入可能な容器12、超音波発生装置13、マイクロ波発生装置14、位置調整装置15、中性子照射装置16、中性子カウンタ17、バブリング装置18、熱交換器19、及び制御装置20を備える。
As shown in FIG. 1, the
制御装置20は、CPU、ROM、RAM、入出力ポートなどからなる周知のマイクロコンピュータにより構成されている。この制御装置20は、超音波発生装置13、マイクロ波発生装置14、位置調整装置15、中性子照射装置16、中性子カウンタ17、バブリング装置18、及び熱交換器19と電気的に接続されており、各種処理を実行することでプラズマ発生装置11全体を統括的に制御する。
The
本実施の形態において容器12はステンレスからなり、その容器12内には液体Wが入れられている。液体Wとしては、目的に応じて任意のものが選択可能である。
In the present embodiment, the
超音波照射手段としての超音波発生装置13は、トランスデューサ21とそのトランスデューサ21を駆動するためのパルスを出力するパルス発生器22とを備える。図2に示すように、トランスデューサ21は、振動子23及びホーン(共振体)24からなる。そして、トランスデューサ21のホーン24の外周面が固定部材25を用いて容器12の上面に固定されており、そのホーン24の先端が液体Wの中に入れられている。
The
このトランスデューサ21は、パルス発生器22から出力されたパルスによって振動子23が駆動されると、例えば20kHz、0〜1kWの超音波をホーン24の先端から液体W中に照射する。なお、本実施の形態では、超音波の照射に伴う摩耗を防止するために、ホーン24先端にはセラミックからなる保護板26が設けられている。
When the
図1に示すように、マイクロ波照射手段としてのマイクロ波発生装置14は、マイクロ波を発生するマグネトロン(マイクロ波発生器)28と、マグネトロン28にて発生したマイクロ波を伝搬する導波管(マイクロ波ホーン)29とを備え、位置調整装置15上に載置されている。マイクロ波発生装置14の導波管29は、超音波発生装置13のトランスデューサ21に対向した状態で容器12の底面に配置されている。このマイクロ波発生装置14において、マグネトロン28は、直流電流が供給されることで、例えば、2.45GHz、0〜1.8kWのマイクロ波を発生する。そして、導波管29は、そのマイクロ波を基本モードであるTE01モードで伝搬させ、先端部から液体W中に直接照射する。
As shown in FIG. 1, a
図2に示すように、中性子照射装置16は、容器12の側面に設けられた中性子透過部40に臨むようにして配置されている。中性子照射装置16は、図示しないイオン発生源で発生した荷電粒子のビームを電荷を持たない中性子のビームに変換した後、その中性子のビームを容器12内部に向けて出力する。なお、中性子透過部40は、容器12を構成するステンレスよりも中性子を透過させやすい部材(例えば、ガラス板)などを用いて形成される。用途によっては、中性子照射装置16を使用しなくてもよい。
As shown in FIG. 2, the
図1に示すように、容器12の近傍には中性子の量を検出するための中性子カウンタ17が設けられている。この中性子カウンタ17は、容器12内の中性子量の検出に用いられる。なお、中性子カウンタ17としては、従来公知の中性子測定器(例えば電離箱、比例計数管、G−M計数管等)が使用可能である。用途によっては、中性子カウンタ17を使用しなくてもよい。
As shown in FIG. 1, a
バブリング装置18は、希ガスとしてのアルゴンガスが充填されるガスボンベ41と、そのアルゴンガスを液体W中に供給するための供給パイプ42と、供給パイプ42の途中に設けられる開閉バルブ43とを備える。このバブリング装置18では、開閉バルブ43が開状態に作動されることで、ガスボンベ41のアルゴンガスが供給パイプ42を通して液体W中に供給される。
The bubbling
図2に示すように、液体W中でアルゴンガスがバブリングされると、液体W中に含まれる空気などが取り除かれる。また、液体W中にアルゴンガスをバブリングすることで、超音波の照射によるキャビテーションが多発的に生じるとともに、マイクロ波の照射による放電プラズマが発生しやすくなる。 As shown in FIG. 2, when argon gas is bubbled in the liquid W, air and the like contained in the liquid W are removed. In addition, bubbling argon gas into the liquid W causes frequent cavitation due to ultrasonic irradiation and facilitates generation of discharge plasma due to microwave irradiation.
熱交換器19は、容器12の側面や底面に設けられ冷却水を循環させる冷却用配管45と、その冷却用配管45の途中に設けられる液体ポンプ46と、液体Wの温度を検出するための熱電対47とを備える。この熱交換器19では、熱電対47によって検出された温度に基づいて液体ポンプ46が駆動されると、冷却用配管45における冷却水の循環が開始され、液体Wの温度が所定温度以下となるように冷却される。
The
容器12の側面にはその内部状態を目視で観察可能な覗き窓(図示略)が設けられており、超音波の照射時に発生するソノルミネッセンスの観察やマイクロ波の照射時に発生するソノプラズマの観察が可能となっている。
A viewing window (not shown) is provided on the side surface of the
次に、本実施の形態における導波管29の構造について詳述する。図3は、導波管29の先端より若干基端側となる位置においてその長手方向に直交する方向に切った断面図である。
Next, the structure of the
図2及び図3に示すように、導波管29は、先端が容器12内に突出するように配置された管本体31と、管本体31の先端の内部(中央孔31a)に配置されたマイクロ波透過体(具体的には石英)32とを有する。なお、マイクロ波透過体32としては、石英の以外の誘電体材料(例えば、セラミックスからなる誘電体など)であって、その比誘電率が空気の1よりも大きく、液体Wよりも小さい材料を用いることができる。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
管本体31は、外形形状が略円形状となるよう形成されるとともに、中央孔31aは、管本体31の長手方向に直交する方向に切った断面が略矩形状となるように形成されている。管本体31の先端は、容器12の底面中央に設けられた管本体挿通孔33に挿入されている。そして、管本体31の先端より若干基端側となる位置には、その外周面に当接した状態で管本体挿通孔33との間の隙間をシールするOリング(シール部材)34が配置されている。管本体31の外周面において前記Oリング34がある位置には、リング状の固定部材35が設けられている。この固定部材35は、このOリング34を圧縮して縮径させるとともに、管本体31を容器12の底面に対して固定させている。なお、本実施の形態では、固定部材35を取り外した状態で位置調整装置15が駆動され、導波管29の位置がその長手方向に沿って適宜調整される。その後、管本体31を固定部材35で再度固定することにより、容器12の底面に対する管本体31の突出量が変更可能になっている。
The
図2〜図4に示すように、マイクロ波透過体32は、管本体31の長手方向に直交する方向に切った断面形状が略矩形状であり、その先端がくさび状(具体的にはV溝状)に削られることで、管本体31の長手方向(図2の上下方向)に対して傾斜した面(テーパ面)36が形成されている。このように、マイクロ波透過体32の先端にテーパ面36を形成することで、液体Wに対するマイクロ波透過体32のインピーダンスのマッチングがとられている。なお、マイクロ波透過体32の基端側は、くさび状に突出するよう加工されており、導波管29内の空気とのインピーダンスのマッチングがとられている。このマイクロ波透過体32の加工は、切削加工などの公知の手法を用いて行われ、その加工後のマイクロ波透過体32が管本体31に挿入されて導波管29が形成されている。本実施形態では、切削加工という機械的手法を採用しているがエッチング等のような化学的手法を用いてもよい。
As shown in FIGS. 2 to 4, the
このように、マイクロ波透過体32の先端にテーパ面36を形成することで、マイクロ波透過体32と液体Wとの境界においてインピーダンスが緩やかに変化し、マイクロ波透過体32の先端部でのマイクロ波の反射が抑制される。
In this way, by forming the tapered
具体的には、本願発明者らは、マイクロ波透過体32における先端の削り量d1(図5参照)を変化させた場合についてのマイクロ波の反射率と先端の削り量d1との関係をシミュレーションしてみた。その結果を図6に示す。図6に示されるように、マイクロ波透過体32における先端の削り量d1が多くなるに従いマイクロ波の反射率が低下している。従って、マイクロ波透過体32にテーパ面36を形成することにより、マイクロ波を液体W中に効率よく照射することが可能となる。
Specifically, the inventors of the present application simulate the relationship between the reflectance of the microwave and the cutting amount d1 of the tip when the cutting amount d1 (see FIG. 5) of the tip of the
次に、本実施の形態におけるプラズマ発生装置11の動作例を説明する。
Next, an operation example of the
先ず、制御装置20は、バブリング装置18における開閉バルブ43を開状態に作動させ、ガスボンベ41のアルゴンガスを供給パイプ42を通して液体W中に供給する。これにより、液体W中でのアルゴンガスのバブリングが開始される。
First, the
そして、制御装置20は超音波発生装置13に制御信号を出力して超音波の照射を開始させる。すなわち、パルス発生器22において、制御装置20からの制御信号に同期したタイミングでパルスが生成され、そのパルスがトランスデューサ21に供給されることにより、トランスデューサ21から超音波が液体W中に照射される。この超音波の照射により、液体W中にキャビテーションが多発的に生じる。
And the
その後、制御装置20はマイクロ波発生装置14に制御信号を出力してマイクロ波の照射を開始させる。具体的には、制御装置20からの制御信号に基づいてマグネトロン28に直流電流が供給されることでマイクロ波が発生される。そして、そのマイクロ波は導波管29を伝搬しマイクロ波透過体32を通して液体W中のキャビテーションの発生領域R(図2参照)に照射される。ここで、本実施の形態のマイクロ波透過体32にはテーパ面36が形成され、液体Wとの境界においてインピーダンスが緩やかに変化するため、マイクロ波が効率よくキャビテーション発生領域Rに照射される。その照射によって放電プラズマが発生しその領域(放電プラズマ発生領域)Rの温度が高められる。
Thereafter, the
次いで、制御装置20は、中性子照射装置16に制御信号を出力して中性子の照射を開始させる。このとき、放電プラズマ発生領域Rに中性子が照射されると、液体Wに含まれる重水素が励起状態となり、放電プラズマの温度がさらに高温化する。容器12内の中性子は中性子カウンタ17で計数され、制御装置20はその検出信号を取り込む。制御装置20はその検出信号に基づいて所定の処理を行い、所定の情報を図示しない表示装置(ディスプレイ)などに表示する。なお、中性子の照射や計数は必要がなければ実施しなくてもよい。
Next, the
また、制御装置20は、熱電対47の検出信号を取り込み、その検出信号に対応する液体温度が所定温度以上か否かを判定する。そして、液体温度が所定温度以上と判定した場合、熱交換器19を作動させる。すなわち、制御装置20は、液体ポンプ46を駆動して冷却用配管45に冷却水を循環させ、液体Wを冷却する。液体Wの温度が下がり、熱電対47の検出信号に基づいて液体温度が所定温度以下であると判断した場合、制御装置20は熱交換器19(液体ポンプ46)を停止する。このように、熱交換器19を制御することにより、容器12中の液体Wが高温となってキャビテーションの発生が不安定となることが防止される。
Further, the
従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。 Therefore, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.
(1)本実施の形態のプラズマ発生装置11では、導波管29から液体W中にマイクロ波を直接照射するように構成している。よって、アンテナを介してマイクロ波を出力するプラズマ発生装置と比較して、広い領域に均一なマイクロ波を照射することができ、プラズマ発生領域Rの大きさを十分に確保することができる。また、マイクロ波透過体32の先端部にテーパ面36が形成されているので、マイクロ波透過体32と液体Wとの境界においてインピーダンスを緩やかに変化させることができ、マイクロ波透過体32の先端部でのマイクロ波の反射を抑制することができる。従って、マイクロ波が効率よく照射され、放電プラズマを確実に発生させることができる。
(1) The
(2)本実施の形態の場合、マイクロ波透過体32として石英を用いその先端部をくさび状に削ってテーパ面36を形成した。石英は比誘電率が前記液体Wよりも小さく、空気よりも大きい材料であるため、マイクロ波を効率よく伝搬できるマイクロ波透過体32とすることができる。また、石英は比較的加工性がよいため、その先端部をくさび状に削る加工を比較的容易に行うことができ、マイクロ波透過体32の製造コストを抑えることができる。
(2) In the case of the present embodiment, quartz is used as the
(3)本実施の形態の場合、マイクロ波透過体32の断面形状は略矩形状であるので、マイクロ波を効率よく伝搬させることができる。また、管本体31の外形形状は略円形状であり角部などの出っ張りを有していないので、Oリング34を管本体31の外周面に当接した状態で配置させることによって、管本体31と管本体挿通孔33との隙間を容易にシールすることができる。
(3) In the case of the present embodiment, since the cross-sectional shape of the
(4)本実施の形態のプラズマ発生装置11では、位置調整装置15上にマイクロ波発生装置14が設けられ、位置調整装置15を駆動させることにより容器12内部への管本体31の突出量を変更することができる。この場合、キャビテーション発生領域Rに対するマイクロ波の照射位置(定在波の位置)を調整することができ、放電プラズマを効率よく発生させることができる。
(4) In the
(5)本実施の形態のプラズマ発生装置11では、超音波発生装置13のトランスデューサ21とマイクロ波発生装置14の導波管29とが対向して配置されるので、超音波の照射によって発生したキャビテーションの発生領域Rに対してマイクロ波を確実に照射でき、反応場を形成するのに十分な量のプラズマ(ソノプラズマ)を発生させることができる。
(5) In the
(6)本実施の形態のプラズマ発生装置11では、液体W中にアルゴンガスがバブリングされるので、キャビテーションが多発的にかつ効率よく生じるようになり、放電プラズマ発生領域を拡大しやすくなる。また、熱交換器19により液体Wが冷却されるので、キャビテーションが安定的に発生する。その結果、放電プラズマ発生領域Rの温度をより高めることができる。
(6) In the
なお、本発明の実施形態は以下のように変更してもよい。 In addition, you may change embodiment of this invention as follows.
・本実施の形態では、マイクロ波透過体32の先端を凹状に加工して、テーパ面36を形成するものであったがこれに限定されるものではない。図7に示すように、マイクロ波透過体51の先端をくさび状に突出するよう加工することでテーパ面52を形成してもよい。なお、このマイクロ波透過体51においても、先端の削り量d2を変化させた場合についてのマイクロ波の反射率と先端の削り量d2の関係をシミュレーションしてみた。その結果を図8に示す。図8に示されるように、マイクロ波透過体51における先端の削り量d2が多くなるに従いマイクロ波の反射率が低下している。従って、このマイクロ波透過体51においても、その先端にテーパ面52を形成することにより、マイクロ波を液体W中に効率よく照射することができる。
-In this Embodiment, although the front-end | tip of the microwave permeation |
また、図9に示すマイクロ波透過体53のように、その先端部に凹凸を形成してもよいし、図10に示すマイクロ波透過体54のように、その先端部に球面状の凹部を形成してもよい。勿論、マイクロ波透過体の先端部に円錐状や角錐状の凹部または凸部を形成してもよい。また、このマイクロ波透過体の先端部に形成される凹部または凸部は1つでもよいし複数でもよい。このように、マイクロ波透過体53,54を形成することで、マイクロ波透過体53,54と液体Wとの境界においてインピーダンスを緩やかに変化させることができ、マイクロ波を液体W中に効率よく照射することができる。ただし、これらのものに比べて先端の形状が単純な前記実施形態のマイクロ波透過体32や、図7のマイクロ波透過体51のほうが、加工が容易という点で有利である。
Further, an uneven portion may be formed at the tip portion as in the
・上記実施の形態のプラズマ発生装置11では、超音波発生装置13とマイクロ波発生装置14とを1対設けるものであったが、複数対設けるものであってもよい。このようにしても、プラズマ発生領域Rの大きさを十分に確保することができ、広い範囲で音響核融合を起こさせることができる。
In the
・上記実施の形態のプラズマ発生装置11では、超音波発生装置13のトランスデューサ21を容器12の上面に配置し、マイクロ波発生装置14の導波管29を容器12の底面に配置するものであったが、これとは逆に、トランスデューサ21を容器12の底面に配置し、導波管29を容器12の上面に配置してもよい。
In the
・上記実施の形態のプラズマ発生装置11では、マイクロ波発生装置14を位置調整装置15上に配置し、マイクロ波発生装置14の導波管29の位置を変更可能に構成したが、超音波発生装置13側に位置調整装置15を設け、トランスデューサ21の位置を変更可能に構成してもよい。
In the
・上記実施の形態のプラズマ発生装置11は、例えば、音響核融合(ソノフュージョン)を起こさせる核融合装置として利用することも可能である。勿論、このような装置として利用する以外にも、このプラズマ発生装置11は、化学反応の誘起・促進をさせる反応装置(例えばカーボンナノ粒子、カーボンナノチューブ、アモルファスカーボン等の生成装置)や、汚水などに含まれる有害物質を分解する処理装置としても利用することができる。なおこの場合、プラズマ発生装置11における中性子照射装置16や中性子カウンタ17は省略することができる。
-The
・上記実施の形態のプラズマ発生装置11において、容器12に液体Wを流通させるための通路(液体Wの導入路及び排出路)を接続し、液体Wを容器12に流しつつ化学反応の処理や汚水処理などの処理を行うように構成することもできる。なおこの場合、前記処理は連続処理であってもよく非連続処理(いわゆるバッチ処理)であってもよい。
In the
・上記実施の形態のプラズマ発生装置11では、超音波発生装置13が照射する超音波の周波数は20kHzであり、マイクロ波発生装置14が照射するマイクロ波は2.45GHzであったが、これら周波数は適宜変更してもよい。例えば、超音波の周波数をより高く、具体的には100kHz〜500kHz程度に設定してもよい。
In the
・上記の実施の形態のマイクロ波透過体32は、管本体31の長手方向に直交する方向に切った断面形状が略矩形状であったが、略矩形状以外の形状(例えば略円形状)であってもよい。
-Although the cross-sectional shape cut | disconnected in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the pipe | tube
・上記実施の形態のプラズマ発生装置11におけるマイクロ波透過体32は、先端部に管本体31の長手方向に対して傾斜した面(テーパ面36)を形成したものであったが、これに代えて図11に示すマイクロ波透過体65を用いることも許容される。このマイクロ波透過体65の先端部には、傾斜した面がなくその代わりに管本体31の長手方向に対して垂直な平坦面が形成されている。そして、上記実施の形態のマイクロ波透過体32には及ばないものの、図11に示すマイクロ波透過体65によれば、特許文献1に記載のプラズマ発生装置におけるマイクロ波照射手段よりは、マイクロ波を効率よく照射でき、プラズマを効率よく発生させることが可能となる。
The
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。 Next, in addition to the technical ideas described in the claims, the technical ideas grasped by the embodiment described above are listed below.
(1)請求項1乃至4のいずれか1項において、前記液体は重水素及び/または三重水素を含むものであり、核融合を起こさせる核融合装置として利用することを特徴とするプラズマ発生装置。
(1) The plasma generator according to any one of
(2)請求項1乃至4のいずれか1項において、前記マイクロ波透過体が石英からなることを特徴とするプラズマ発生装置。
(2) The plasma generator according to any one of
(3)請求項1において、前記マイクロ波透過体の先端部がくさび状に形成されたことを特徴とするプラズマ発生装置。
(3) The plasma generator according to
(4)請求項1乃至4のいずれか1項において、前記超音波照射手段と前記マイクロ波照射手段と電気的に接続され、前記各手段を制御する制御手段をさらに備えたことを特徴とするプラズマ発生装置。
(4) The method according to any one of
(5)液体を導入可能な容器と、前記容器内の液体中に超音波を照射してキャビテーションを多発的に生じさせる超音波照射手段と、マイクロ波発生器により発生したマイクロ波を導波管を介して伝搬させ、前記導波管の先端から前記液体におけるキャビテーション発生領域に照射することにより、放電プラズマを発生させるマイクロ波照射手段とを備え、前記導波管は、先端が前記容器内に突出するように配置された管本体と、前記管本体の先端の内部に配置された誘電体からなるマイクロ波透過体とを有することを特徴とするプラズマ発生装置。 (5) A container into which a liquid can be introduced, ultrasonic irradiation means for generating cavitation frequently by irradiating the liquid in the container with ultrasonic waves, and a microwave generated by the microwave generator as a waveguide And a microwave irradiation means for generating discharge plasma by irradiating the cavitation generation region in the liquid from the tip of the waveguide, and the waveguide has a tip in the container. A plasma generator comprising: a tube main body arranged so as to protrude; and a microwave transmitting body made of a dielectric disposed inside a tip of the tube main body.
11…プラズマ発生装置
12…容器
13…超音波照射手段としての超音波発生装置
14…マイクロ波照射手段としてのマイクロ波発生装置
28…マイクロ波発生器としてのマグネトロン
29…導波管
31…管本体
32,51,53,54…マイクロ波透過体
33…管本体挿通孔
34…シール部材としてのOリング
36,52…テーパ面
R…キャビテーション発生領域
W…液体
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記容器内の液体中に超音波を照射してキャビテーションを多発的に生じさせる超音波照射手段と、
マイクロ波発生器により発生したマイクロ波を導波管を介して伝搬させ、前記導波管の先端から前記液体におけるキャビテーション発生領域に照射することにより、放電プラズマを発生させるマイクロ波照射手段と
を備え、
前記導波管は、先端が前記容器内に突出するように配置された管本体と、前記管本体の先端の内部に配置されたマイクロ波透過体とを有し、前記マイクロ波透過体の先端部に、前記管本体の長手方向に対して傾斜した面が形成されていることを特徴とするプラズマ発生装置。 A container into which a liquid can be introduced;
Ultrasonic irradiation means for irradiating ultrasonic waves into the liquid in the container to cause multiple cavitations;
A microwave irradiation means for generating discharge plasma by propagating the microwave generated by the microwave generator through the waveguide and irradiating the cavitation generation region in the liquid from the tip of the waveguide; ,
The waveguide has a tube main body arranged so that a tip protrudes into the container, and a microwave transmitting body arranged inside the tip of the pipe main body, and the tip of the microwave transmitting body The plasma generator is characterized in that a surface inclined with respect to the longitudinal direction of the tube main body is formed in the part.
前記容器内の液体中に超音波を照射してキャビテーションを多発的に生じさせる超音波照射手段と、
マイクロ波発生器により発生したマイクロ波を導波管を介して伝搬させ、前記導波管の先端から前記液体におけるキャビテーション発生領域に照射することにより、放電プラズマを発生させるマイクロ波照射手段と
を備え、
前記導波管は、先端が前記容器内に突出するように配置された管本体と、前記管本体の先端の内部に配置されたマイクロ波透過体とを有し、前記マイクロ波透過体の先端部に凹凸が形成されていることを特徴とするプラズマ発生装置。 A container into which a liquid can be introduced;
Ultrasonic irradiation means for irradiating ultrasonic waves into the liquid in the container to cause multiple cavitations;
A microwave irradiation means for generating discharge plasma by propagating the microwave generated by the microwave generator through the waveguide and irradiating the cavitation generation region in the liquid from the tip of the waveguide; ,
The waveguide has a tube main body arranged so that a tip protrudes into the container, and a microwave transmitting body arranged inside the tip of the pipe main body, and the tip of the microwave transmitting body A plasma generator characterized in that the surface is uneven.
前記容器には、前記導波管の先端を入れる管本体挿通孔が設けられるとともに、前記管本体の外周面に当接した状態で前記管本体挿通孔との隙間をシールするシール部材が設けられることを特徴とする請求項1または2に記載のプラズマ発生装置。 The outer shape of the tube body is a substantially circular shape, and the cross-sectional shape of the microwave transmitting body is a substantially rectangular shape,
The container is provided with a tube main body insertion hole into which the distal end of the waveguide is inserted, and a seal member that seals a gap between the tube main body insertion hole and the outer peripheral surface of the tube main body. The plasma generator according to claim 1 or 2, characterized by the above.
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