JP2015050010A - Plasma generation apparatus and utilization of the same - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new plasma generation apparatus capable of being suitably used for plasma processing of a fluid and stably generating microwave excited plasma.SOLUTION: The disclosed plasma generation apparatus includes: a flow passage 10 for circulating a fluid; a plasma generation space 20 communicated with the flow passage 10 and expanding to the outside in a direction orthogonal to a fluid flow direction; a circular plasma generation part 30 provided in the plasma generation space 20 and arranged separately from the flow passage 10 to the orthogonal-direction outside; and a microwave introduction part 40 for propagating a microwave to the plasma generation part 30. The plasma generation part 30 is composed of a pair of annular convex portions arranged opposite to each other through a gap and coverts a gaseous fluid generated in the plasma generation space 30 pressure-reduced by the fluid flowing in the flow passage 10 into plasma by a microwave introduced from the microwave introduction part 40.

Description

本発明は、プラズマ発生装置に関する。より詳細には、流体のプラズマ処理に好適に用いることができ、マイクロ波励起プラズマを安定して発生することのできるプラズマ発生装置に関する。   The present invention relates to a plasma generator. More specifically, the present invention relates to a plasma generator that can be suitably used for plasma processing of a fluid and can stably generate microwave-excited plasma.

近年、排水の浄化処理等の液体処理プロセスの一つとして、液中プラズマを利用したプラズマ処理が注目されている。液中プラズマとは、典型的には、被処理液中の液相を加熱する等して気泡を生成し、かかる気泡の内部（気相）で気体分子の連続的な電離を誘起することでプラズマを発生させるものである。そして、気泡の内部で発生されたプラズマ活性種が汚染物質等の被処理物に接触することで、当該汚染物質を分解し、無害化することができる。ここで、処理対象である液体自体を絶縁破壊させるには、例えば水でおよそ数ＭＶ／ｃｍという高い電界強度が必要となるが、液中の気泡の絶縁破壊電圧はおよそ３０ｋＶ／ｃｍと大幅に低減されることから、かかる液中プラズマによると高効率なプラズマ処理が可能となる。また、液中プラズマの放電開始電圧をさらに低下させるために、液中に減圧領域を形成し、この減圧領域でプラズマを発生させることもなされている。かかる液中プラズマに関する従来技術としては、例えば、特許文献１〜４が挙げられる。   In recent years, plasma treatment using in-liquid plasma has attracted attention as one of liquid treatment processes such as wastewater purification treatment. In-liquid plasma typically refers to the generation of bubbles by heating the liquid phase in the liquid to be treated, etc., and inducing continuous ionization of gas molecules inside the bubbles (gas phase). Plasma is generated. The plasma active species generated inside the bubbles come into contact with an object to be processed such as a contaminant, so that the contaminant can be decomposed and rendered harmless. Here, in order to cause dielectric breakdown of the liquid itself to be treated, for example, a high electric field strength of about several MV / cm is required with water, but the dielectric breakdown voltage of bubbles in the liquid is about 30 kV / cm. Therefore, highly efficient plasma processing can be performed with such submerged plasma. In order to further lower the discharge start voltage of plasma in liquid, a reduced pressure region is formed in the liquid, and plasma is generated in this reduced pressure region. For example, Patent Documents 1 to 4 are cited as conventional techniques relating to such submerged plasma.

特開２０１２−１７７１７８号公報JP 2012-177178 A 特開２０１２−０１４９５５号公報JP 2012-014955 A 特開２０１２−１５２７１２号公報JP 2012-152712 A 特開２０１２−１４２１５０号公報JP2012-142150A

このように、液中プラズマによると、プラズマ発生のためのエネルギーが低減されてはいるものの、それでもなお多量のエネルギーを投入する必要があり、かかる投入エネルギーにより被処理液が加熱されてエネルギー損失が大きいという問題があった。また、液体中の微小な領域でプラズマを発生させる技術では、プラズマを発生させるための電極の消耗が激しく高コストであることに加え、プラズマ発生領域も狭い範囲に限定されてしまい、一度に多くの液体を処理することができなかった。さらには、液中で発生されたプラズマを安定に保つには、主としてバッチ方式で処理する必要があり、インライン処理等には不向きであった。   As described above, according to the plasma in liquid, although the energy for generating the plasma is reduced, it is still necessary to input a large amount of energy, and the liquid to be treated is heated by such input energy, resulting in energy loss. There was a problem of being big. In addition, in the technology for generating plasma in a minute region in a liquid, the electrode for generating plasma is consumed at a high cost, and in addition, the plasma generation region is limited to a narrow range, and many at once. The liquid could not be processed. Furthermore, in order to keep the plasma generated in the liquid stable, it is necessary to perform processing mainly in a batch system, which is not suitable for inline processing.

本発明は上記の従来の問題を解決すべく創出されたものであり、その目的は、流体のプラズマ処理に好適に用いることができ、マイクロ波励起プラズマを安定して発生することのできる、新規なプラズマ発生装置を提供することである。また、本発明の他の目的は、かかるプラズマ発生装置を用いてなる流体処理装置等を提供することである。   The present invention has been created to solve the above-described conventional problems, and has an object of being able to be suitably used for fluid plasma processing and capable of stably generating microwave-excited plasma. Is to provide a simple plasma generator. Another object of the present invention is to provide a fluid processing apparatus using such a plasma generator.

本発明者は、上記課題を解決するものとして、プラズマ発生装置を提供する。かかるプラズマ発生装置は、流体を流通させる流路と、上記流路に連通し、上記流体の流れ方向に対し直交する方向の外側に広がるプラズマ発生空間と、上記プラズマ発生空間に設けられ、上記流路から上記直交方向外側に離間して配置された円環状のプラズマ発生部と、上記プラズマ発生部にマイクロ波を伝播するマイクロ波導入部と、を備えている。ここで、上記プラズマ発生部は、間隙をもって対向配置された一対の環状凸部により構成されている。そして、このプラズマ発生装置は、上記流路を流れる上記流体により減圧状態とされた上記プラズマ発生空間に生成される気体状の上記流体を、上記マイクロ波導入部から導入されたマイクロ波により上記プラズマ発生部でプラズマ化することを特徴としている。   The present inventor provides a plasma generator as a solution to the above problems. Such a plasma generating device is provided in the flow path through which the fluid flows, the plasma generation space that communicates with the flow path and extends outside in the direction orthogonal to the flow direction of the fluid, the plasma generation space, An annular plasma generator disposed apart from the road in the orthogonal direction and a microwave introduction unit that propagates microwaves to the plasma generator. Here, the plasma generating part is constituted by a pair of annular convex parts arranged to face each other with a gap. Then, the plasma generation apparatus is configured to cause the gaseous fluid generated in the plasma generation space, which has been depressurized by the fluid flowing through the flow path, to be generated by the microwave introduced from the microwave introduction unit. It is characterized in that it is turned into plasma at the generator.

このように、このプラズマ発生装置は、流路を取り囲むように設けられたプラズマ発生空間に円環状のプラズマ発生部を備えている。そして流路を流れる流体により、プラズマ発生空間は自ずと減圧状態とされる。かかる減圧化されたプラズマ発生空間には、流路を流れる流体が気体となって導入される。これにより、一対の環状凸部により構成されているプラズマ発生部は、流体中に浸漬されることなく、また、流体の流れ場の状態の直接的な影響を受けることなく、プラズマ発生電極としてプラズマ発生空間において安定してプラズマを発生させることができる。好ましくは、かかるプラズマ発生部は、それ自体がスロットアンテナを形成しており、これによりプラズマ発生に伴う消耗が低減される。
さらに、かかるプラズマ発生装置はプラズマの励起にマイクロ波を用いており、例えば従来のプラズマ励起に用いられていた高周波（典型的には、周波数１ＭＨｚ以上の電波）励起プラズマと比べて、同じ投入エネルギーで密度の濃いプラズマを励起することができる。また、プラズマ中の電子温度が低くエネルギーも小さいため、電極等のプラズマ周辺部材の消耗が抑制される。 As described above, this plasma generator includes an annular plasma generator in a plasma generation space provided so as to surround the flow path. The plasma generation space is naturally decompressed by the fluid flowing through the flow path. The fluid flowing through the flow path is introduced as a gas into the reduced-pressure plasma generation space. As a result, the plasma generating portion constituted by the pair of annular convex portions is not immersed in the fluid, and is not directly affected by the state of the fluid flow field, so that the plasma generating portion is plasma. Plasma can be generated stably in the generation space. Preferably, such a plasma generation unit itself forms a slot antenna, thereby reducing wear associated with plasma generation.
Furthermore, such a plasma generator uses microwaves for plasma excitation, and has the same input energy as that of, for example, high frequency (typically, radio waves having a frequency of 1 MHz or more) excitation plasma used in conventional plasma excitation. It is possible to excite a dense plasma. Further, since the electron temperature in the plasma is low and the energy is small, consumption of plasma peripheral members such as electrodes is suppressed.

加えて、プラズマ発生空間は減圧状態にあるため、放電開始電圧が低下される。かかる減圧状態は、流路を流れる流体の流速を高めることでより一層低減することができる。したがって、さらに少ない投入電力でプラズマを発生させることができる。また、減圧環境下で発生されたプラズマ中の活性種は、粒子間の衝突頻度が低減されているため寿命を長く維持することができる。したがって、かかる活性種を失活させることなく、より高濃度なプラズマを発生することができる。これにより、発生されたプラズマ活性種が、高濃度で、かつ、均一に、流路に供給され、単位時間により多量の流体にプラズマ活性種を接触させることができる。
なお、本明細書において、「マイクロ波」とは、波長１ｍ〜１００μｍ、周波数３００ＭＨｚ〜３ＴＨｚの電波（極超短波）を意味し、デシメートル波（ＵＨＦ）、センチメートル波（ＳＨＦ）、ミリメートル波（ＥＨＦ）、サブミリ波等を包含する用語である。 In addition, since the plasma generation space is in a reduced pressure state, the discharge start voltage is lowered. Such a reduced pressure state can be further reduced by increasing the flow rate of the fluid flowing through the flow path. Therefore, plasma can be generated with a smaller input power. In addition, the active species in the plasma generated under a reduced pressure environment can maintain a long life because the collision frequency between particles is reduced. Therefore, higher concentration plasma can be generated without deactivating such active species. As a result, the generated plasma active species are uniformly supplied to the flow path at a high concentration, and the plasma active species can be brought into contact with a large amount of fluid per unit time.
In this specification, “microwave” means a radio wave (ultrashort wave) having a wavelength of 1 m to 100 μm and a frequency of 300 MHz to 3 THz, and includes a decimeter wave (UHF), a centimeter wave (SHF), a millimeter wave ( EHF), submillimeter wave and the like.

ここに開示されるプラズマ発生装置の好ましい一態様において、上記流路と上記プラズマ発生空間との連通部分近傍を流れる上記流体の圧力が、２００ｈＰａ以下となるよう構成されていることを特徴としている。
プラズマの放電開始電力には圧力依存性があり、環境圧力が低い少ないエネルギーでプラズマを発せさせることが可能となる。また、液体を気化させるのに要するエネルギーも低減することができる。かかる構成によると、マイクロ波により投入されるエネルギーの多くをプラズマ生成エネルギーとして利用することができ、より少ない投入エネルギーでプラズマを発生することができる。 In a preferred aspect of the plasma generator disclosed herein, the pressure of the fluid flowing in the vicinity of the communication portion between the flow path and the plasma generation space is configured to be 200 hPa or less.
The plasma discharge starting power is pressure-dependent, and it is possible to emit plasma with a small amount of energy with low environmental pressure. Moreover, the energy required for vaporizing the liquid can also be reduced. According to such a configuration, much of the energy input by the microwave can be used as plasma generation energy, and plasma can be generated with less input energy.

ここに開示されるプラズマ発生装置の好ましい一態様において、上記流路は、上記流れ方向の上流側から上記連通部分に向けて、断面積が減少していることを特徴としている。
すなわち、流路は、プラズマ発生空間との連通部分において断面積が減少して括れた形態となっている。換言すると、プラズマ発生空間との連通部分より上流側の流路は、より広い断面積を有するよう構成されている。これにより、かかる流路がベンチュリ管として作用し、当該連通部分（括れ部分）において低圧力領域が形成される。また、かかる連通部分と連通するプラズマ発生空間もさらに減圧される。したがって、より少量のエネルギーでプラズマを発生することができ、プラズマの発生効率を高めることができる。また、連通部分より上流側の流路をより太くすることで、流路に高流量の流体を流すことが可能となる。 In a preferable aspect of the plasma generator disclosed herein, the flow path has a cross-sectional area that decreases from the upstream side in the flow direction toward the communication portion.
That is, the flow path has a shape in which the cross-sectional area is reduced and constricted at the communication portion with the plasma generation space. In other words, the channel on the upstream side of the communication portion with the plasma generation space is configured to have a wider cross-sectional area. Thereby, this flow path acts as a venturi tube, and a low pressure region is formed in the communication portion (constricted portion). In addition, the plasma generation space communicating with the communicating portion is further depressurized. Therefore, plasma can be generated with a smaller amount of energy, and plasma generation efficiency can be increased. Further, by making the flow path upstream from the communicating portion thicker, a high flow rate fluid can flow through the flow path.

ここに開示されるプラズマ発生装置の好ましい一態様において、上記流路の内部には、上記連通部分から上流側に流速制御部材が備えられており、上記流速制御部材は、流れ方向の上流側から上記連通部分に向けて断面積が減少する絞部を備えていることを特徴としている。
かかる構成によると、流路内を流れる流体の量および流速等を詳細に制御することができる。これによって、高濃度なプラズマをより安定して発生させることができる。 In a preferred aspect of the plasma generating apparatus disclosed herein, a flow rate control member is provided in the flow path on the upstream side from the communicating portion, and the flow rate control member is provided on the upstream side in the flow direction. It is characterized by having a throttle part whose cross-sectional area decreases toward the communication part.
According to this configuration, the amount of fluid flowing in the flow path, the flow velocity, and the like can be controlled in detail. As a result, a high-density plasma can be generated more stably.

ここに開示されるプラズマ発生装置の好ましい一態様において、上記流路は円管形状であって、上記マイクロ波導入部は矩形管状であって、上記プラズマ発生空間は、上記マイクロ波導入部の内部に設けられていることを特徴としている。好ましい一実施形態においては、上記流路は、上記マイクロ波導入部を貫通するよう配設されている。また、上記流路と上記マイクロ波導入部とは、略直角に交わって配設されている。
かかる構成によると、マイクロ波導入部を伝播するマイクロ波を、流路を通じてプラズマ発生部に効率的に導入することができる。 In a preferred aspect of the plasma generating apparatus disclosed herein, the flow path has a circular tube shape, the microwave introduction part has a rectangular tubular shape, and the plasma generation space is inside the microwave introduction part. It is characterized by being provided. In a preferred embodiment, the channel is disposed so as to penetrate the microwave introduction part. Further, the flow path and the microwave introduction part are disposed so as to intersect at a substantially right angle.
According to this configuration, the microwave propagating through the microwave introduction unit can be efficiently introduced into the plasma generation unit through the flow path.

ここに開示されるプラズマ発生装置の好ましい一態様において、さらに、上記マイクロ波導入部の内部であって、かつ、上記流路および上記プラズマ発生空間の外周側の少なくとも一部に、誘電体部が備えられていることを特徴とする。
かかる構成によると、プラズマ発生空間を低圧に保持することができ、プラズマ発生空間に均一にプラズマを発生させることができる。また、マイクロ波は、マイクロ波導入部から誘電体を経由することで流路およびプラズマ発生空間に伝播するため、誘電体を介した低圧領域にマイクロ波エネルギーを導入することができる。 In a preferred aspect of the plasma generator disclosed herein, a dielectric portion is further provided in at least a part of the inside of the microwave introduction portion and on the outer peripheral side of the flow path and the plasma generation space. It is provided.
According to this configuration, the plasma generation space can be maintained at a low pressure, and plasma can be generated uniformly in the plasma generation space. Further, since the microwave propagates from the microwave introduction part to the flow path and the plasma generation space via the dielectric, microwave energy can be introduced into the low pressure region via the dielectric.

ここに開示されるプラズマ発生装置の好ましい一態様において、一の上記流路に対し、上記プラズマ発生空間、上記プラズマ発生部および上記マイクロ波導入部が上記流れ方向に沿って複数備えられていることを特徴とする。
かかる構成によると、流路を流れる流体に対してより多量のプラズマ活性種を供給することができる。例えば、流路の複数の位置に活性種を失活させることなく確実に供給することができる。 In a preferable aspect of the plasma generator disclosed herein, a plurality of the plasma generation space, the plasma generation unit, and the microwave introduction unit are provided along the flow direction with respect to one flow path. It is characterized by.
According to this configuration, a larger amount of plasma active species can be supplied to the fluid flowing through the flow path. For example, the active species can be reliably supplied to a plurality of positions in the flow path without deactivation.

ここに開示されるプラズマ発生装置の好ましい一態様において、上記マイクロ波導入部は、同軸導波管からなる円形導波管と、上記円形導波管の管軸に対し各々直交する方向に連結された複数の矩形導波管とを備えている。ここで、上記複数の矩形導波管は、上記円形導波管の管軸を中心として対称位置（軸対称となる位置）に配置されている。そして、上記流路、上記プラズマ発生空間および上記プラズマ発生部は、各々の上記矩形導波管の内部に設けられていることを特徴としている。かかる構成によると、一のマイクロ波導入部に対して、複数のプラズマ発生部を備えることができ、少量の投入エネルギーでより多量のプラズマを発生させることが可能なプラズマ発生装置が実現される。   In a preferred aspect of the plasma generating apparatus disclosed herein, the microwave introduction unit is connected to a circular waveguide made of a coaxial waveguide and directions orthogonal to the tube axis of the circular waveguide. And a plurality of rectangular waveguides. Here, the plurality of rectangular waveguides are arranged at symmetrical positions (axially symmetrical positions) around the tube axis of the circular waveguide. The flow path, the plasma generation space, and the plasma generation section are provided inside each rectangular waveguide. According to such a configuration, a plurality of plasma generation units can be provided for one microwave introduction unit, and a plasma generation apparatus capable of generating a larger amount of plasma with a small amount of input energy is realized.

他の側面において、本発明は、流体処理装置を提供する。かかる流体処理装置は、上記のいずれかに記載のプラズマ発生装置と、循環路と、ポンプとを備えている。そして上記プラズマ発生装置における上記流路は、上記循環路と接続されていることを特徴としている。
かかる流体処理装置によると、プラズマ発生装置において被処理物である流体の周囲のプラズマ発生空間において安定してプラズマを発生させることができる。これにより、より少ないエネルギーで安定して効率良くプラズマ処理を行うことができる。また、バッチ方式ではなく、インライン方式にてプラズマ処理を行うことができ、より高効率な流体処理装置が提供される。 In another aspect, the present invention provides a fluid treatment device. Such a fluid treatment apparatus includes any of the plasma generators described above, a circulation path, and a pump. And the said flow path in the said plasma generator is connected with the said circulation path, It is characterized by the above-mentioned.
According to such a fluid processing apparatus, it is possible to stably generate plasma in a plasma generation space around a fluid that is an object to be processed in the plasma generation apparatus. Thereby, plasma processing can be performed stably and efficiently with less energy. In addition, plasma processing can be performed by an in-line method instead of a batch method, and a more efficient fluid processing apparatus is provided.

また、さらに他の側面において、本発明は、流体処理方法を提供する。かかる流体処理方法は、上記のいずれかに記載のプラズマ発生装置を用いた流体処理方法であって、被処理流体を上記プラズマ発生装置の上記流路に導入し、上記プラズマ発生部で発生させたプラズマを照射することで上記被処理流体をプラズマ処理することを特徴としている。かかる流体処理方法によると、被処理流体の周囲にプラズマ発生空間を形成して、かかるプラズマ発生空間にて安定してプラズマを発生させ、発生された流体を活性状態で流体に供給することができる。これにより、より少ないエネルギーで安定して効率良く被処理流体のプラズマ処理を行うことができる。また、バッチ方式ではなく、インライン方式にてプラズマ処理を行うこともでき、より高効率な流体処理方法が提供される。   In still another aspect, the present invention provides a fluid processing method. Such a fluid treatment method is a fluid treatment method using any of the plasma generators described above, wherein a fluid to be treated is introduced into the flow path of the plasma generator and generated in the plasma generator. Plasma treatment is performed on the fluid to be treated by irradiating with plasma. According to such a fluid processing method, a plasma generation space can be formed around the fluid to be processed, plasma can be stably generated in the plasma generation space, and the generated fluid can be supplied to the fluid in an active state. . Thereby, plasma processing of the fluid to be processed can be performed stably and efficiently with less energy. In addition, plasma processing can be performed by an inline method instead of a batch method, and a more efficient fluid processing method is provided.

本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置の要部を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the principal part of the plasma generator which concerns on one Embodiment of this invention. 図１の要部拡大図である。It is a principal part enlarged view of FIG. 本発明の一実施形態に係る流体処理装置の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the fluid processing apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態に係るプラズマ発生装置の構成の概念を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the concept of the structure of the plasma generator which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態に係るプラズマ発生装置の構成の概念を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the concept of the structure of the plasma generator which concerns on other embodiment of this invention. 一実施形態における流体処理の処理時間とメチレンブルーの分解率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the processing time of the fluid processing in one Embodiment, and the decomposition rate of methylene blue. 一実施形態における流体処理の処理時間とメチレンブルーの分解率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the processing time of the fluid processing in one Embodiment, and the decomposition rate of methylene blue.

以下、本発明のプラズマ処理方法について説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄（プラズマ発生装置の各構成要素に係る一般的事項等）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書および図面に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。なお、各図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は実際の寸法関係を反映するものではない。   Hereinafter, the plasma processing method of the present invention will be described. Note that matters other than matters specifically mentioned in the present specification and necessary for the implementation of the present invention (general matters relating to each component of the plasma generating apparatus) are based on the prior art in this field. It can be grasped as a design matter of a person skilled in the art. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and the drawings and common general technical knowledge in the field. Note that the dimensional relationship (length, width, thickness, etc.) in each drawing does not reflect the actual dimensional relationship.

＜第１実施形態＞
以下、本発明に係るプラズマ発生装置の一実施形態を具体的に説明するが、本発明がかかる形態に限定されることを意図するものではない。図１は、本発明の実施形態に係るプラズマ発生装置を概略的に示す構成図である。
このプラズマ発生装置１には、本質的に、流体を流通させる流路１０と、この流路１０の周囲に離間して配置された円環状のプラズマ発生部３０と、が備えられている。具体的には、流路１０には、当該流路１０に連通しつつ、流体の流れ方向に対し直交する方向（以下、単に「直交方向」という場合がある。）の外側に広がるようにプラズマ発生空間２０が設けられている。そして、このプラズマ発生空間２０の内部に、円環状のプラズマ発生部３０が設けられている。すなわち、プラズマ発生部３０も、流路１０から直交方向外側に離間して配置される。このプラズマ発生部３０は、例えば図２に示されるように、間隙（ギャップ）をもって対向配置された一対の環状凸部３０ａ，３０ｂによりスロットアンテナを形成するよう構成されている。ここで、環状凸部３０ａ，３０ｂは、プラズマ発生電極として機能する。そしてプラズマ発生装置１には、このプラズマ発生部３０にマイクロ波を伝播するためのマイクロ波導入部４０が備えられている。
なお、ここで、流路１０に対する「直交方向」とは、流路に対して厳密に９０°の角度をなす場合を指すものではなく、概ね９０°で交わっていると判断し得る状態をも意味する。例えば、流路１０に対して９０°±２０°程度、より好適には９０°±１０°（例えば、９０°±５°程度）の角度で配置する場合をも含み得る。 <First Embodiment>
Hereinafter, although one embodiment of the plasma generator concerning the present invention is described concretely, it is not intended that the present invention be limited to this form. FIG. 1 is a block diagram schematically showing a plasma generator according to an embodiment of the present invention.
The plasma generator 1 essentially includes a flow path 10 through which a fluid flows, and an annular plasma generation unit 30 that is spaced apart from the periphery of the flow path 10. Specifically, the plasma flows in the flow path 10 so as to spread outside the direction orthogonal to the fluid flow direction (hereinafter sometimes simply referred to as “orthogonal direction”) while communicating with the flow path 10. A generation space 20 is provided. An annular plasma generator 30 is provided in the plasma generation space 20. That is, the plasma generation unit 30 is also arranged away from the flow path 10 in the orthogonal direction outside. For example, as shown in FIG. 2, the plasma generating unit 30 is configured to form a slot antenna by a pair of annular convex portions 30a and 30b arranged to face each other with a gap (gap). Here, the annular protrusions 30a and 30b function as plasma generation electrodes. The plasma generator 1 is provided with a microwave introduction unit 40 for propagating microwaves to the plasma generation unit 30.
Here, the “orthogonal direction” with respect to the flow path 10 does not indicate a case where the angle is strictly 90 ° with respect to the flow path, but also includes a state in which it can be determined that the crossing is approximately 90 °. means. For example, the case where it arrange | positions with respect to the flow path 10 at the angle of about 90 degrees +/- 20 degrees, more preferably 90 degrees +/- 10 degrees (for example, about 90 degrees +/- 5 degrees) may be included.

かかる構成のプラズマ発生装置１においては、流路１０に流体を流通させることにより、流路１０と連通するプラズマ発生空間２０は特段の処理を施さずとも自ずと減圧状態となり得る。このように減圧化されたプラズマ発生空間２０では、蒸気圧が低下するため、流路１０を流れる流体が揮発し、気体（気相）となって導入される。すなわち、プラズマ発生空間２０は気相状態にある流体により満たされている。換言すると、プラズマ発生装置１は、例えば、ガス導入装置等の特別な設備を必須とせずに流体の気相を形成することができる。
また、放電開始電圧には圧力依存性があることが知られており、低圧環境下では絶縁破壊電圧が低下する。そのため、減圧化されたプラズマ発生空間２０ではより低い電圧でプラズマの発生が可能とされている。なお、流路１０を流通する流体の流速が高いほど減圧の度合いが高まり、より少量の電圧でプラズマを発生させることができる。
また、かかるプラズマ発生空間２０においては、プラズマ発生部３０にマイクロ波電力を導入することで、一対の環状凸部３０ａ，３０ｂ間に電位差が生じて電圧に比例した電界が放射される。この電界は環状凸部３０ａ，３０ｂにより集中され、絶縁破壊電圧以上の電圧が発生したときに環状凸部３０ａ，３０ｂ間にプラズマを発生させ得る。以上のことから、かかるプラズマ発生装置１によって、流体を構成する分子等に由来したプラズマを発生させることができる。
なお、かかるプラズマ発生装置１においては、単位時間により多量の流体を流すことでより効率的にプラズマを発生することができる。そのため、一度に大量の流体に対し、より少ない電力でプラズマ活性種を供給することができる。 In the plasma generator 1 having such a configuration, by causing a fluid to flow through the flow path 10, the plasma generation space 20 communicating with the flow path 10 can naturally be in a reduced pressure state without being subjected to special treatment. In the plasma generation space 20 reduced in pressure in this way, the vapor pressure decreases, so that the fluid flowing through the flow path 10 is volatilized and introduced as a gas (gas phase). That is, the plasma generation space 20 is filled with a fluid in a gas phase state. In other words, the plasma generator 1 can form a fluid gas phase without requiring special equipment such as a gas introduction device, for example.
In addition, it is known that the discharge start voltage has a pressure dependency, and the dielectric breakdown voltage decreases in a low pressure environment. Therefore, it is possible to generate plasma at a lower voltage in the decompressed plasma generation space 20. In addition, the degree of pressure reduction increases as the flow velocity of the fluid flowing through the flow path 10 increases, and plasma can be generated with a smaller amount of voltage.
In the plasma generation space 20, by introducing microwave power to the plasma generation unit 30, a potential difference is generated between the pair of annular projections 30 a and 30 b, and an electric field proportional to the voltage is radiated. This electric field is concentrated by the annular protrusions 30a and 30b, and plasma can be generated between the annular protrusions 30a and 30b when a voltage higher than the dielectric breakdown voltage is generated. As described above, the plasma generator 1 can generate plasma derived from the molecules constituting the fluid.
In the plasma generator 1, plasma can be generated more efficiently by flowing a large amount of fluid per unit time. Therefore, plasma active species can be supplied to a large amount of fluid at a time with less power.

かかるプラズマ発生装置１において、プラズマ発生空間２０は流体とは隔離した形成され、プラズマ発生部３０は流体に浸漬されない。これにより、流体の流れ場の状態に直接的に影響されることなく、プラズマ発生空間２０において安定してプラズマを発生させることができる。
また、プラズマ発生部３０は、流体中に浸漬されないことから、電極たるプラズマ発生部３０の腐蝕が抑制されており、電極材料の溶出等の問題が生じ難い。かかるプラズマ発生部３０は、プラズマ発生電極、ここではスロットアンテナを形成しており、例えば針状電極などと比較してプラズマの発生に伴う消耗が低減されている。これにより、耐久性に優れたプラズマ発生装置１が提供されることとなる。 In the plasma generator 1, the plasma generation space 20 is formed separately from the fluid, and the plasma generator 30 is not immersed in the fluid. Thereby, plasma can be stably generated in the plasma generation space 20 without being directly affected by the state of the fluid flow field.
Moreover, since the plasma generation part 30 is not immersed in the fluid, the corrosion of the plasma generation part 30 as an electrode is suppressed, and problems such as elution of the electrode material hardly occur. The plasma generation unit 30 forms a plasma generation electrode, here, a slot antenna, and wear associated with the generation of plasma is reduced compared to, for example, a needle electrode. Thereby, the plasma generator 1 excellent in durability will be provided.

さらに、プラズマ発生空間２０に発生されたプラズマの活性種は、流体の流れによる吸引作用により流路１０へと輸送される。従って、かかるプラズマ発生装置１によると、特段の処置を施さなくとも、発生されたプラズマ活性種を速やかにかつ効率よく流体に接触させることができる。例えば、寿命の短い活性種であっても失活前に流体と接触させることができる。   Furthermore, the active species of the plasma generated in the plasma generation space 20 is transported to the flow path 10 by the suction action by the fluid flow. Therefore, according to the plasma generator 1, the generated plasma active species can be brought into contact with the fluid quickly and efficiently without any special treatment. For example, even an active species having a short lifetime can be brought into contact with a fluid before deactivation.

なお、以上の構成のプラズマ発生装置１においては、流路１０を流れる流体の流速が速ければ速い程、プラズマ発生空間２０の圧力が低減される傾向にあり、より少ないマイクロ波電力（投入エネルギー）でプラズマを発生することができる。かかるプラズマ発生空間２０の減圧状態は、例えば、図２に示されるように、流路１０をプラズマ発生空間２０との連通部分近傍において絞る、ないしは括れさせることで、容易に実現することができる。すなわち、ここに開示されるプラズマ発生装置１においては、流路１０の流れ方向の上流側から連通部分に向けて、流路１０の断面積を減少させることが好ましい態様であり得る。
かかる断面積の減少具合は、所望の流体の流速およびプラズマ発生空間２０の減圧状態に応じて適宜設計することができる。例えば、かかる流路１０におけるベンチュリ効果を考慮して、プラズマ発生空間２０との連通部分近傍において所望の流速およびプラズマ発生空間２０の圧力とが実現されるよう、構成することができる。おおよその目安として、プラズマ発生空間２０の圧力を、大気圧（１０１３．２５ｈＰａ）の約１／５（例えば、２００ｈＰａ程度）以下、より好ましくは約１／１０（例えば、１００ｈＰａ程度）以下、さらには１／１００（例えば、１０ｈＰａ程度）以下とすることで、より少ない投入エネルギーで効率的にプラズマの発生が可能となる。 In the plasma generator 1 having the above configuration, the higher the flow velocity of the fluid flowing through the flow path 10, the more the pressure in the plasma generation space 20 tends to be reduced, and less microwave power (input energy). Can generate plasma. Such a reduced pressure state of the plasma generation space 20 can be easily realized by narrowing or constricting the flow path 10 in the vicinity of the communication portion with the plasma generation space 20, as shown in FIG. That is, in the plasma generator 1 disclosed herein, it may be a preferable aspect to reduce the cross-sectional area of the flow channel 10 from the upstream side in the flow direction of the flow channel 10 toward the communication portion.
Such a reduction in the cross-sectional area can be appropriately designed according to a desired fluid flow rate and a reduced pressure state of the plasma generation space 20. For example, in consideration of the venturi effect in the flow path 10, a desired flow velocity and pressure in the plasma generation space 20 can be realized in the vicinity of the communication portion with the plasma generation space 20. As a rough guide, the pressure of the plasma generation space 20 is about 1/5 (for example, about 200 hPa) or less, more preferably about 1/10 (for example, about 100 hPa) or less of atmospheric pressure (1013.25 hPa), By setting it to 1/100 (for example, about 10 hPa) or less, plasma can be efficiently generated with less input energy.

なお、かかる流路１０の断面積を容易かつ精密に減少させるために、流路１０の内部に流速制御部材２４を備えるようにしても良い。かかる流速制御部材２４は、流路１０の流れ方向の上流側から連通部分に向けて断面積が減少する絞部を備えているものであれば、その他の構成は特に制限されない。例えば、典型的には、円錐形状、角錐形状等の錐体部からなる絞部を備える流速制御部材２４を考慮することができる。かかる流速制御部材２４が連通部分から上流側に備えられていることにより、より急峻に流路１０の断面積を減少させることができる。これにより、例えば、一定の流量の流体を流す場合等に、連結部近傍における断面積の減少具合を高くすることができ、プラズマ発生空間２０をより高度に減圧することが可能となる。また、流速制御部材２４は、流路１０の流れ方向に沿って位置を調整可能に構成されていても良い。かかる構成によると、流体の特性等によって流路の断面積を簡便に調整することができる。例えば、流体の粘度、分散物の有無やその大きさ等により、当該流体に最適な流路の幅（寸法）を実現することができる。   In order to reduce the cross-sectional area of the flow channel 10 easily and precisely, the flow rate control member 24 may be provided inside the flow channel 10. The other configuration of the flow rate control member 24 is not particularly limited as long as the flow rate control member 24 includes a throttle portion whose cross-sectional area decreases from the upstream side in the flow direction of the flow path 10 toward the communication portion. For example, typically, the flow rate control member 24 including a constricted portion formed of a cone portion such as a cone shape or a pyramid shape can be considered. Since the flow rate control member 24 is provided on the upstream side from the communicating portion, the cross-sectional area of the flow path 10 can be reduced more steeply. Thereby, for example, when flowing a fluid at a constant flow rate, the degree of reduction in the cross-sectional area in the vicinity of the connecting portion can be increased, and the plasma generation space 20 can be further decompressed. Further, the flow rate control member 24 may be configured so that its position can be adjusted along the flow direction of the flow path 10. According to this configuration, the cross-sectional area of the flow path can be easily adjusted depending on the characteristics of the fluid. For example, the flow path width (dimension) optimum for the fluid can be realized depending on the viscosity of the fluid, the presence or absence of the dispersion, and the size thereof.

以下、プラズマ発生装置１の各構成要素について、図１の例を参考にして、より詳細に説明する。本実施形態のプラズマ発生装置１において、流路１０と、マイクロ波導入部４０とは、流路１０がマイクロ波導入部４０内を貫通するように配設されている。そしてプラズマ発生空間２０は、マイクロ波導入部４０の内部に設けられている。
［流路］
流路１０は、ここに開示されるプラズマ発生装置１に流体を導入する経路であり、かかる流路１０に流体を流通させることにより、連通するプラズマ発生空間２０を減圧させることを可能とする。本実施形態において、流路１０は、主として円管状の形状を有している。そして、図１において括れ部２２として示したように、後述するプラズマ発生空間２０との連通部分およびその近傍において、断面積が減少して括れた形態に形成されている。これにより、流路１０を流れる流体の流速は、ベンチュリ効果によって括れ部２２とその上流側とを比較すると、括れ部２２における方が速い。また、流路１０を流れる流体の圧力は、ベンチュリ効果によって括れ部２２とその上流側とを比較すると、括れ部２２における方が低い。かかる括れ部２２の流速および圧力は、断面積の減少具合により調整することができる。すなわち、括れ部２２の断面の形態を制御することで、プラズマ発生空間２０の圧力状態を所望の状態に調整することができる。 Hereinafter, each component of the plasma generator 1 will be described in more detail with reference to the example of FIG. In the plasma generator 1 of this embodiment, the flow path 10 and the microwave introduction part 40 are arrange | positioned so that the flow path 10 may penetrate the inside of the microwave introduction part 40. The plasma generation space 20 is provided inside the microwave introduction unit 40.
[Flow path]
The flow path 10 is a path for introducing a fluid into the plasma generator 1 disclosed herein, and the fluid can be circulated through the flow path 10 to reduce the pressure of the communicating plasma generation space 20. In this embodiment, the flow path 10 has a mainly tubular shape. And as shown as the constriction part 22 in FIG. 1, it forms in the form which the cross-sectional area decreased and was constricted in the communication part and the vicinity of the plasma generation space 20 mentioned later. Thereby, the flow velocity of the fluid flowing through the flow path 10 is faster in the constricted portion 22 when the constricted portion 22 is compared with the upstream side due to the venturi effect. Further, the pressure of the fluid flowing through the flow path 10 is lower in the constricted portion 22 when the constricted portion 22 is compared with the upstream side due to the venturi effect. The flow velocity and pressure of the constricted portion 22 can be adjusted by reducing the cross-sectional area. That is, the pressure state of the plasma generation space 20 can be adjusted to a desired state by controlling the shape of the cross section of the constricted portion 22.

ここで、本実施形態において、流路１０は、プラズマ発生空間２０との連通部分の上流側と下流側とで異なる部材により構成されている。すなわち、連通部分の上流側の流路１０であって、マイクロ波導入部４０の内部に位置する部分は、当該流路１０の形態に対応する内部空間（典型的には、下流側に凸の円錐形の空間）を備え、プラズマ発生空間２０にマイクロ波電力を伝播し得る上部電極部材１２により構成されている。また、連通部分の下流側の流路１０であって、マイクロ波導入部４０の内部に位置する部分は、当該流路１０の形態に対応する内部空間（典型的には、上流側に凸の円錐形の空間）を備え、プラズマ発生空間２０にマイクロ波電力を伝播し得る下部電極部材１４により構成されている。これら上部電極部材１２および下部電極部材１４は、流路１０に連通するプラズマ発生空間２０の上流側壁および過流側壁をも構成することができる。
かかる流路１０は、特に制限されるものではないが、マイクロ波導入部４０の内部に位置する部分は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）あるいはこれらの合金等からなる部材により構成することができる。かかる部材は、上部電極部材１２および下部電極部材１４であり得る。マイクロ波導入部４０の外部に位置する部分については特に制限されることなく、各種の樹脂材料、金属材料、無機材料等の任意の材料から構成することができる。 Here, in the present embodiment, the flow path 10 is configured by different members on the upstream side and the downstream side of the communication portion with the plasma generation space 20. That is, the flow channel 10 on the upstream side of the communication portion and the portion located inside the microwave introduction unit 40 is an internal space corresponding to the form of the flow channel 10 (typically, convex on the downstream side). The upper electrode member 12 includes a conical space) and can transmit microwave power to the plasma generation space 20. In addition, the flow channel 10 on the downstream side of the communication portion and the portion located inside the microwave introduction unit 40 is an internal space corresponding to the form of the flow channel 10 (typically, convex on the upstream side). And a lower electrode member 14 capable of propagating microwave power to the plasma generation space 20. The upper electrode member 12 and the lower electrode member 14 can also constitute the upstream side wall and the overflow side wall of the plasma generation space 20 communicating with the flow path 10.
The flow path 10 is not particularly limited, but the portion located inside the microwave introduction portion 40 is made of, for example, aluminum (Al), copper (Cu), iron (Fe), or an alloy thereof. It can comprise by the member which becomes. Such members may be the upper electrode member 12 and the lower electrode member 14. The part located outside the microwave introduction part 40 is not particularly limited, and can be made of any material such as various resin materials, metal materials, and inorganic materials.

［流速制御部材］
なお、上記の括れ部２２の断面の形態を制御するために、流路１０の連通部分から上流側に流速制御部材２４を設けることができる。流速制御部材２４は、流れ方向の上流側からプラズマ発生空間２０との連通部分に向けて断面積が減少する絞部を備えている。かかる絞部における断面積の減少具合は、一定であっても良いし、変化されていても良い。例えば、流れ方向の上流側から連通部分に向かうにつれて、断面積の減少具合が大きくなるよう構成されていてもよい。また、例えば、図１に例示されるように、断面積の減少具合が一定であって、例えば絞部が円錐形状あるいは角錐形状等の錐体から構成されていても良い。流路１０内にかかる流速制御部材２４を設置することで、流速制御部材２４を備えない場合に比べて流体が流れ得る流路１０の断面積をより大きく減少させることができ、連通部分およびその近傍の流体の流速をより効果的に高めることができる。ひいては、プラズマ発生空間２０の圧力をより効果的に低減させることができる。
かかる速制御部材２４は、特に制限されるものではないが、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）あるいはこれらの合金（典型的には、アルミニウム合金、銅合金、ステンレス鋼）等からなる部材により構成することができる。
また、連通部分を流れる流体の流速をより一層高めてプラズマ発生空間２０の圧力をより一層低減させるために、流路１０には、必要に応じて、ダイアフラムポンプやロータリーポンプ等の流体圧送手段を備えていても良い。かかる構成は必須ではないものの、より簡便に、プラズマ発生空間２０の圧力を低減させることができ、少ない投入エネルギーで安定したプラズマを発生させることが可能となる。 [Flow velocity control member]
In order to control the shape of the cross section of the constricted portion 22, a flow rate control member 24 can be provided upstream from the communicating portion of the flow path 10. The flow velocity control member 24 includes a constriction portion whose cross-sectional area decreases from the upstream side in the flow direction toward the communication portion with the plasma generation space 20. The degree of reduction of the cross-sectional area at the narrowed portion may be constant or may be changed. For example, you may be comprised so that the reduction degree of a cross-sectional area may become large as it goes to a communicating part from the upstream of a flow direction. Further, for example, as illustrated in FIG. 1, the degree of reduction in the cross-sectional area may be constant, and for example, the throttle portion may be formed of a cone having a cone shape or a pyramid shape. By installing the flow rate control member 24 in the flow channel 10, the cross-sectional area of the flow channel 10 through which the fluid can flow can be greatly reduced as compared with the case where the flow rate control member 24 is not provided. The flow rate of the nearby fluid can be increased more effectively. As a result, the pressure of the plasma generation space 20 can be reduced more effectively.
The speed control member 24 is not particularly limited. For example, aluminum (Al), copper (Cu), iron (Fe), or an alloy thereof (typically, an aluminum alloy, a copper alloy, stainless steel) ) Or the like.
Further, in order to further increase the flow velocity of the fluid flowing through the communication portion and further reduce the pressure in the plasma generation space 20, a fluid pumping means such as a diaphragm pump or a rotary pump is provided in the flow path 10 as necessary. You may have. Although such a configuration is not essential, the pressure in the plasma generation space 20 can be reduced more easily and stable plasma can be generated with less input energy.

［マイクロ波導入部］
マイクロ波導入部４０は、典型的には、例えば、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生部（図示せず）と、マイクロ波発生部において発生させたマイクロ波をプラズマ発生空間２０の内部に設けられたプラズマ発生部３０に導波する導波路とから構成することができる。
マイクロ波発生部は、所定の周波数を有するマイクロ波を発生させ、導波路に伝播する。かかるマイクロ波発生部は、例えば、クライストロン、マグネトロン、ジャイロトロン等により構成することができる。発生させるマイクロ波の周波数は厳密には制限されないものの、例えば、３００ＭＨｚ〜３ＴＨｚの範囲とすることができる。具体的には、例えば、４３３ＭＨｚ，２．４５ＧＨｚ，５．８ＧＨｚ等とすることが例示される。かかるマイクロ波発生部により発生されたマイクロ波によりプラズマを励起させることにより、例えば高周波（典型的には、周波数１ＭＨｚ以上の電波）を導入する場合と比べて、同じ投入エネルギーで密度の濃いプラズマを励起することができる。また、マイクロ波により発生されるプラズマは電子温度が低く、エネルギーも小さいため、後述のプラズマ発生部３０等のプラズマ周辺部材の消耗が抑制される。 [Microwave introduction part]
Typically, the microwave introduction unit 40 is provided, for example, in a microwave generation unit (not shown) that generates a microwave, and a microwave generated in the microwave generation unit in the plasma generation space 20. Further, it can be configured from a waveguide guided to the plasma generation unit 30.
The microwave generator generates a microwave having a predetermined frequency and propagates it to the waveguide. Such a microwave generation unit can be configured by, for example, a klystron, a magnetron, a gyrotron, or the like. Although the frequency of the generated microwave is not strictly limited, for example, it can be in the range of 300 MHz to 3 THz. Specifically, for example, 433 MHz, 2.45 GHz, 5.8 GHz, etc. are exemplified. By exciting the plasma with microwaves generated by such a microwave generation unit, for example, compared with the case of introducing a high frequency (typically, a radio wave having a frequency of 1 MHz or more), a dense plasma with the same input energy is produced. Can be excited. Further, since plasma generated by microwaves has a low electron temperature and low energy, consumption of plasma peripheral members such as a plasma generation unit 30 described later is suppressed.

導波路は、典型的には、例えば、同軸ケーブルや、円管状、矩形管状等の導体（電気伝導性材料）からなる中空の管状体により構成することができる。本実施形態において、マイクロ波導入部４０は、例えば矩形管状の導波路を備えている。マイクロ波導入部４０は、例えば、導波路の一方の端部にマイクロ波発生部を備え、他方の端部に、マイクロ波を反射させることが可能な可動壁部材４６を備えていてもよい。なお、導波路の形状および寸法等は、特に制限されず、所望の管内波長が実現されるよう設計することができる。例えば、管内波長が十分長くなる導波管条件を満たすよう構成することで、一様性の高いプラズマを発生させることができる。ここで可動壁部材４６は、導波路の導波方向に略垂直な壁面を有するとともに、該壁面が導波方向に沿って移動可動に構成されている。例えば、可動壁部材４６は、プランジャ等により構成することができる。かかる可動壁部材４６を備えることで、導波路を安定したプラズマを生成させ得る長さに設定することができる。また、かかる可動壁部材４６を移動させることで、プラズマ生成時にマイクロ波の反射位置を周期的に移動させて定在波の位相を変化させることができ、時間平均でより均一なプラズマを形成することができる。
マイクロ波導入部４０における、導波路、可動壁部材４６等は各種の動体から構成することができ、特に制限されるものではないが、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）あるいはこれらの合金（典型的には、アルミニウム合金、銅合金、ステンレス鋼）等からなる部材により構成することが好ましい例として示される。なお、導波路には、特に図示していないものの、例えば、マイクロ波の進行方向を制御するアイソレータや、導波路のインピーダンスを整合させる整合器等が備えられていても良い。 Typically, the waveguide can be constituted by a hollow tubular body made of a conductor (electrically conductive material) such as a coaxial cable or a circular tube or a rectangular tube. In the present embodiment, the microwave introduction unit 40 includes, for example, a rectangular tubular waveguide. The microwave introduction unit 40 may include, for example, a microwave generation unit at one end of the waveguide and a movable wall member 46 capable of reflecting the microwave at the other end. The shape and dimensions of the waveguide are not particularly limited, and can be designed so as to realize a desired in-tube wavelength. For example, it is possible to generate plasma with high uniformity by satisfying the waveguide condition in which the guide wavelength is sufficiently long. Here, the movable wall member 46 has a wall surface substantially perpendicular to the waveguide direction of the waveguide, and the wall surface is configured to be movable along the waveguide direction. For example, the movable wall member 46 can be configured by a plunger or the like. By providing such a movable wall member 46, the waveguide can be set to a length capable of generating stable plasma. In addition, by moving the movable wall member 46, it is possible to change the phase of the standing wave by periodically moving the reflection position of the microwave when generating the plasma, and form a more uniform plasma on a time average. be able to.
The waveguide, the movable wall member 46, etc. in the microwave introduction part 40 can be composed of various moving bodies, and are not particularly limited. For example, aluminum (Al), copper (Cu), iron (Fe ) Or an alloy of these (typically, an aluminum alloy, a copper alloy, stainless steel) or the like. The waveguide may be provided with, for example, an isolator for controlling the traveling direction of the microwave, a matching unit for matching the impedance of the waveguide, and the like, although not particularly illustrated.

［プラズマ発生空間］
プラズマ発生空間２０は、上記流路１０に連通するよう設けられた空間であって、プラズマ発生部３０を備えている。すなわち、プラズマ発生空間２０は、ここに開示されるプラズマ発生装置におけるプラズマ生成の場であり得る。かかるプラズマ発生空間２０には、連通する流路１０に流体が流れることにより、自然発生的に、プラズマの生成に供するプラズマ源たる気相が供給されるとともに、プラズマの生成を容易とする減圧環境が提供され得る。また、プラズマ発生部３０で発生されたプラズマ活性種を速やかに流路１０に供給することができる。
かかるプラズマ発生空間２０の形態は特に制限されないものの、例えば、流路１０を軸とした円盤形状に形成することができる。また、上述のように、プラズマ発生空間２０の上流側壁および下流側壁を上部電極部材１２および下部電極部材１４により構成することで、プラズマ発生空間２０内の電界強度を高めることができる。これにより、プラズマ発生部３０により強度の高い電界と磁場とを発生し得る形態でマイクロ波を導入することができる。なお、プラズマ発生空間２０の側壁については、特に限定するものではないが、例えば、誘電体等により構成することができる。 [Plasma generation space]
The plasma generation space 20 is a space provided to communicate with the flow path 10 and includes a plasma generation unit 30. That is, the plasma generation space 20 can be a place for plasma generation in the plasma generation apparatus disclosed herein. The plasma generation space 20 is naturally supplied with a gas phase serving as a plasma source for plasma generation by flowing a fluid through the communicating flow path 10, and a reduced pressure environment that facilitates plasma generation. Can be provided. Further, the plasma active species generated by the plasma generator 30 can be quickly supplied to the flow path 10.
Although the form of the plasma generation space 20 is not particularly limited, for example, it can be formed in a disk shape with the flow path 10 as an axis. In addition, as described above, the upstream side wall and the downstream side wall of the plasma generation space 20 are configured by the upper electrode member 12 and the lower electrode member 14, whereby the electric field strength in the plasma generation space 20 can be increased. Thereby, a microwave can be introduce | transduced with the form which can generate | occur | produce a high intensity | strength electric field and magnetic field by the plasma generation part 30. FIG. In addition, although it does not specifically limit about the side wall of the plasma generation space 20, For example, it can comprise with a dielectric material etc.

［プラズマ発生部］
プラズマ発生部３０は、高い電界と磁場とを形成し得るプラズマ発生空間２０に備えられ、一対の環状凸部により構成されている。プラズマ発生部３０において環状凸部３０ａ，３０ｂは、間隙を持って、かつ、突出部が互いに対向するように配置されている。この環状凸部３０ａ，３０ｂ間に電界を集中させることで、プラズマ発生空間２０内の気相を絶縁破壊して、プラズマを形成することができる。具体的には、まず、気相に存在する電子を電界により加速して、気相を構成する分子等の中性粒子との衝突させることにより、かかる中性粒子は電離して電荷を帯びる。この電離により生じた電子が、さらに次々と中性粒子に衝突してゆき、加速度的に電子が増加すること（電子雪崩）で、気相中に発光を伴い大きな電流が流れる（絶縁破壊）ようになる。これにより、電荷を帯びた粒子（荷電粒子）を含む気体としてのプラズマが形成される。なお、ここで形成されるプラズマは、プラズマ発生部３０の形状に対応した円環状であって、流路１０から直交方向外側に離間した位置に形成される。 [Plasma generator]
The plasma generation unit 30 is provided in the plasma generation space 20 that can form a high electric field and a magnetic field, and includes a pair of annular convex portions. In the plasma generating unit 30, the annular projecting portions 30a and 30b are arranged with a gap and the protruding portions facing each other. By concentrating the electric field between the annular protrusions 30a and 30b, the gas phase in the plasma generation space 20 can be dielectrically broken to form plasma. Specifically, first, electrons present in the gas phase are accelerated by an electric field and collide with neutral particles such as molecules constituting the gas phase, whereby the neutral particles are ionized and charged. Electrons generated by this ionization collide with neutral particles one after another, and the electrons increase at an accelerated rate (electron avalanche), so that a large current flows with light emission in the gas phase (insulation breakdown). become. Thereby, plasma as a gas containing charged particles (charged particles) is formed. In addition, the plasma formed here is an annular shape corresponding to the shape of the plasma generation unit 30, and is formed at a position spaced outward from the flow path 10 in the orthogonal direction.

特に制限されるものではないが、プラズマ発生部３０において環状凸部３０ａ，３０ｂは、均一でかつより高強度の電界を発生し得るよう、例えば、環状凸部３０ａ，３０ｂの間隔が０．２ｍｍ〜１ｍｍ程度の均一な間隔で（すなわち、互いに略平行に）配置されているのが好ましい。より好ましい形態においては、プラズマ発生部３０の環状凸部３０ａ，３０ｂの可動壁部材４６部からの寸法、すなわち、典型的にはプランジャから放電部までの距離は、プラズマ発生空間２０に発生するマイクロ波電界を制御し得る寸法であり得る。例えば、具体的には、プラズマ発生部３０の環状凸部３０ａ，３０ｂの可動壁部材４６部からの寸法は、マイクロ波の導波管管内波長の約１／４とされており、スロットアンテナを形成しているのが好ましい。かかる構成とすることで、マイクロ波導入部４０から導入されたマイクロ波を共振させることができ、環状凸部３０ａ，３０ｂ間の電界強度をさらに高めることができる。これにより、高い電界と磁場とを発生し得る形態のマイクロ波をプラズマ発生部３０に導入することが可能とされ、プラズマの放電着火、プラズマの維持が容易となって、より少ない投入電力で効率よくプラズマを発生させることができる。
また、特に制限されるものではないが、プラズマ発生部３０は、流路１０から１ｍｍ〜１０ｍｍ程度離れた位置に円環状に設けられることが好ましい。かかる流路１０からの離間距離は、例えば、流路１０の寸法（径）や流路１０内を流通させる流体の流速等を考慮して適宜設定することができる。
プラズマ発生部３０は、特に限定されるものではないが、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）あるいはこれらの合金（典型的には、アルミニウム合金、銅合金、ステンレス鋼）等からなる部材により構成することができる。好ましくは、より純度の高いアルミニウム（Ａｌ）または銅（Ｃｕ）であり得る。 Although not particularly limited, for example, the annular projections 30a and 30b in the plasma generating unit 30 can generate a uniform and higher-intensity electric field, for example, the interval between the annular projections 30a and 30b is 0.2 mm. It is preferable that they are arranged at a uniform interval of about ˜1 mm (that is, substantially parallel to each other). In a more preferred form, the dimensions of the annular projections 30a, 30b of the plasma generation unit 30 from the movable wall member 46, that is, typically the distance from the plunger to the discharge unit, is a microscopic value generated in the plasma generation space 20. It may be a dimension that can control the wave electric field. For example, specifically, the dimensions of the annular projections 30a and 30b of the plasma generation unit 30 from the movable wall member 46 are about ¼ of the wavelength in the waveguide of the microwave. It is preferable to form. By setting it as this structure, the microwave introduced from the microwave introduction part 40 can be resonated, and the electric field strength between the cyclic | annular convex parts 30a and 30b can further be raised. This makes it possible to introduce a microwave in a form capable of generating a high electric field and a magnetic field into the plasma generating unit 30, facilitating plasma discharge ignition and plasma maintenance, and efficiency with less input power. Plasma can be generated well.
Further, although not particularly limited, it is preferable that the plasma generation unit 30 is provided in an annular shape at a position about 1 mm to 10 mm away from the flow path 10. The separation distance from the flow channel 10 can be appropriately set in consideration of, for example, the dimension (diameter) of the flow channel 10 and the flow velocity of the fluid flowing through the flow channel 10.
The plasma generating unit 30 is not particularly limited. For example, aluminum (Al), copper (Cu), iron (Fe), or an alloy thereof (typically, an aluminum alloy, a copper alloy, or stainless steel). It can comprise by the member which consists of etc. Preferably, it may be higher purity aluminum (Al) or copper (Cu).

［誘電体部］
なお、必須の構成部材ではないが、マイクロ波導入部４０の内部であって、かつ、流路１０およびプラズマ発生空間２０の外周側に、誘電体部５０を備えることができる。かかる誘電体部５０は、マイクロ波導入部４０の内部で、かつ、流路１０およびプラズマ発生空間２０の外周側の少なくとも一部に、好ましくは全部に備えることができる。かかる誘電体部５０を備えることで、プラズマ発生空間２０と外部との絶縁を図ることができるとともに、流路１０およびプラズマ発生空間２０からマイクロ波導入部４０へと流体の気相が流出するのを防ぐことができる。また、マイクロ波導入部４０から誘電体部５０を介してプラズマ発生空間２０へのマイクロ波の伝播を可能とし、より多くのマイクロ波をプラズマ発生空間２０、ひいてはプラズマ発生部３０に導入することができる。
かかる誘電体部は、各種の誘電体により構成することができる。例えば、具体的には、石英、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂等の誘電体で構成することが好ましい例として示される。 [Dielectric part]
Although not an essential constituent member, the dielectric portion 50 can be provided inside the microwave introduction portion 40 and on the outer peripheral side of the flow path 10 and the plasma generation space 20. Such a dielectric part 50 can be provided inside the microwave introduction part 40 and at least partly on the outer peripheral side of the flow path 10 and the plasma generation space 20, preferably all. By providing such a dielectric portion 50, it is possible to insulate the plasma generation space 20 from the outside, and a fluid gas phase flows out from the flow path 10 and the plasma generation space 20 to the microwave introduction portion 40. Can be prevented. Further, the microwave can be propagated from the microwave introduction unit 40 to the plasma generation space 20 via the dielectric unit 50, and more microwaves can be introduced into the plasma generation space 20 and thus the plasma generation unit 30. it can.
Such a dielectric portion can be composed of various dielectric materials. For example, specifically, it is shown as a preferable example that it is made of a dielectric such as quartz or polytetrafluoroethylene.

＜第２実施形態＞
以下、本発明に係る上述したプラズマ発生装置を用いた流体処理装置と流体処理方法の好適な一実施形態について説明する。ただし、本発明がかかる形態に限定されることを意図するものではない。図３は、本発明の実施形態に係る流体処理装置を概略的に示す構成図である。
本発明が提供する流体処理装置１００は、処理対象である流体（被処理流体）にプラズマを照射してプラズマ処理するものである。かかる流体処理装置１００は、本質的に、上記のいずれかのプラズマ発生装置１と、循環路１１０と、ポンプ１２０とを備えている。図３の例では、循環路１１０の途中に、さらに、被処理流体を貯留しておく貯留タンク１３０と、被処理流体を冷却するための冷却器１４０が備えられている。そして、プラズマ発生装置１における流路１０は、この循環路１１０と接続されていることを特徴としている。なお、この流体処理装置１００において、プラズマ発生装置１の構成については、上記の実施形態と同様であるため、説明を省略する。 Second Embodiment
Hereinafter, a preferred embodiment of a fluid processing apparatus and a fluid processing method using the above-described plasma generator according to the present invention will be described. However, it is not intended that the present invention be limited to such a form. FIG. 3 is a configuration diagram schematically showing a fluid processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
A fluid processing apparatus 100 provided by the present invention performs plasma processing by irradiating a fluid to be processed (fluid to be processed) with plasma. The fluid processing apparatus 100 essentially includes any one of the above plasma generators 1, a circulation path 110, and a pump 120. In the example of FIG. 3, a storage tank 130 for storing the fluid to be processed and a cooler 140 for cooling the fluid to be processed are further provided in the circulation path 110. The flow path 10 in the plasma generator 1 is connected to the circulation path 110. In this fluid processing apparatus 100, the configuration of the plasma generator 1 is the same as that in the above embodiment, and thus the description thereof is omitted.

かかる構成においては、プラズマ発生装置１の流路１０が循環路１１０と接続されていることから、被処理流体を連続的に流路１０に導入することができる。すなわち、例えば、貯留タンク１３０に貯留されている被処理流体は、圧送ポンプ等のポンプ１２０の作用により、循環路１１０を通ってプラズマ発生装置１の流路１０に送られる。そして、被処理流体が流路１０とプラズマ発生空間２０との連結部分近傍を通過することで、かかる被処理流体にプラズマ発生部３０で発生させたプラズマを照射することができる。すなわち、被処理流体とプラズマ活性種との接触を図ることが可能となる。また、プラズマ発生装置１を通過した被処理流体は、流路１０からポンプ１２０の作用により、循環路１１０を通って貯留タンク１３０に送られる。なお、プラズマの照射により被処理流体が発熱する場合には、例えば、貯留タンク１３０に設置された冷却器１４０等で被処理流体を冷却することができる。このようにして、流体処理装置１００に被処理流体を連続的に循環させることにより、被処理流体に対して所望の頻度でプラズマ処理を簡便に施すことが可能となる。かかる流体処理の方法によると、バッチ方式ではなく、インライン方式にてプラズマ処理を行うこともでき、より高効率な流体処理を実施することができる。また、一度に大量の流体をより簡便にプラズマ処理することができる。   In such a configuration, since the flow path 10 of the plasma generator 1 is connected to the circulation path 110, the fluid to be processed can be continuously introduced into the flow path 10. That is, for example, the fluid to be processed stored in the storage tank 130 is sent to the flow path 10 of the plasma generator 1 through the circulation path 110 by the action of the pump 120 such as a pressure pump. Then, when the fluid to be processed passes through the vicinity of the connecting portion between the flow path 10 and the plasma generation space 20, the plasma to be processed can be irradiated to the fluid to be processed. That is, it is possible to achieve contact between the fluid to be treated and the plasma active species. Further, the fluid to be processed that has passed through the plasma generator 1 is sent from the flow path 10 to the storage tank 130 through the circulation path 110 by the action of the pump 120. In addition, when a to-be-processed fluid heat | fever-generates by plasma irradiation, a to-be-processed fluid can be cooled with the cooler 140 etc. which were installed in the storage tank 130, for example. In this way, by continuously circulating the fluid to be processed through the fluid processing apparatus 100, it is possible to simply perform the plasma processing on the fluid to be processed at a desired frequency. According to such a fluid processing method, plasma processing can be performed by an in-line method instead of a batch method, and more efficient fluid processing can be performed. Moreover, a large amount of fluid can be more easily plasma-treated at a time.

また、プラズマ発生装置１においては、マイクロ波で、流路１０を取り囲む環状にプラズマを励起するため、被処理流体に対して均一に発生されたプラズマを安定的に供給することができる。また、減圧環境下でプラズマが発生されるため、プラズマ中の活性種は衝突頻度が低減されて失活することなくより高濃度な状態で被処理流体と接触され得る。したがって、かかる流体処理方法によると、より処理効率の良い流体処理を行うことができる。   Further, since the plasma generator 1 excites the plasma in an annular shape surrounding the flow path 10 with microwaves, it is possible to stably supply the uniformly generated plasma to the fluid to be processed. In addition, since plasma is generated in a reduced pressure environment, the active species in the plasma can be contacted with the fluid to be processed in a higher concentration state without being deactivated due to reduced collision frequency. Therefore, according to the fluid processing method, fluid processing with higher processing efficiency can be performed.

＜第３実施形態＞
以下、本発明に係るプラズマ発生装置１の構成に関する他の実施形態について説明する。図４は、本発明の実施形態に係るプラズマ発生装置１の主要部分を概略的に示す構成図である。かかるプラズマ発生装置１においては、一の流路１０に対し、プラズマ発生空間２０、プラズマ発生部３０およびマイクロ波導入部４０が流れ方向に沿って複数（図４では三つ）備えられている。すなわち、第一の実施形態で例示した構成のマイクロ波導入部４０が流路１０に複数設けられ、その各々のマイクロ波導入部４０の内部にプラズマ発生空間２０およびプラズマ発生部３０が設けられている。複数のマイクロ波導入部４０には、各々にマイクロ波発生部が備えられていても良いし、いくつか（例えば、二つまたは三つ）のマイクロ波導入部４０に一つのマイクロ波発生部が設けられていても良い。なお、流路１０、プラズマ発生空間２０、プラズマ発生部３０およびマイクロ波導入部４０の具体的な形態については、第１実施形態において説明したため、ここでは省略する。かかる構成によると、一の流路１０に流体を流すことで複数（例えば三つ）のプラズマ発生部３０においてプラズマを発生させることができる。このため、例えば、より少ないスペースでより多くのプラズマを発生させることができる。また、一の流路１０に所定の体積の流体を流す際に、より多くのプラズマを発生させることができる。したがって、例えば、流体処理装置１００がかかるプラズマ発生装置１を備えることにより、より一層効率的に被処理流体のプラズマ処理を行うことが可能となる。 <Third Embodiment>
Hereinafter, other embodiments relating to the configuration of the plasma generator 1 according to the present invention will be described. FIG. 4 is a configuration diagram schematically showing main parts of the plasma generator 1 according to the embodiment of the present invention. In the plasma generator 1, a plurality of (three in FIG. 4) plasma generation spaces 20, plasma generation units 30, and microwave introduction units 40 are provided in one flow path 10 along the flow direction. That is, a plurality of microwave introduction parts 40 having the configuration exemplified in the first embodiment are provided in the flow path 10, and the plasma generation space 20 and the plasma generation part 30 are provided inside each microwave introduction part 40. Yes. Each of the plurality of microwave introduction units 40 may be provided with a microwave generation unit, or one microwave generation unit may be included in several (for example, two or three) microwave introduction units 40. It may be provided. In addition, since the specific form of the flow path 10, the plasma generation space 20, the plasma generation part 30, and the microwave introduction part 40 was demonstrated in 1st Embodiment, it abbreviate | omits here. According to this configuration, it is possible to generate plasma in a plurality of (for example, three) plasma generation units 30 by flowing a fluid through one flow path 10. For this reason, for example, more plasma can be generated in a smaller space. Further, more plasma can be generated when a predetermined volume of fluid flows through one flow path 10. Therefore, for example, when the fluid processing apparatus 100 includes the plasma generation device 1, it becomes possible to more efficiently perform the plasma processing of the fluid to be processed.

＜第４実施形態＞
以下、本発明に係るプラズマ発生装置１の構成に関するさらに他の実施形態について説明する。図５は、本発明の実施形態に係るプラズマ発生装置１の主要部分を概略的に示す構成図である。かかるプラズマ発生装置１において、マイクロ波導入部４０は、円形導波管４２と、この円形導波管４２の管軸に対し各々直交する方向に連結された複数の矩形導波管４４とを備えている。ここで、円形導波管４２と、複数の矩形導波管４４とは、同軸構造である。また、複数の矩形導波管４４は、円形導波管４２の管軸を中心として対称位置に配置されている。図５の例では、矩形導波管４４が六つの場合を例示しているが、矩形導波管４４の数は限定されず、例えば、二つ、三つ、四つ、五つ、七つ、八つ等の対象性を有する構成を実現し得れば特に制限されない。マイクロ波発生部は、いずれかの円形導波管４２および矩形導波管４４の二つ以上が備えられていても良い。しかしながら、これらは同軸構造であるため、一つのマイクロ波発生部がいずれかの導波管４２，４４に備えられており、マイクロ波発生部で発生されたマイクロ波をかかる導波管４２，４４を介して他の導波管４２，４４に分配するのが好ましい。例えば、円形導波管４２にマイクロ波発生部を備えておき、このマイクロ波発生部で発生されたマイクロ波を円形導波管４２から各矩形導波管４４に等価に伝播させる形態が好ましい。 <Fourth embodiment>
Hereinafter, still another embodiment relating to the configuration of the plasma generator 1 according to the present invention will be described. FIG. 5 is a configuration diagram schematically showing main parts of the plasma generator 1 according to the embodiment of the present invention. In the plasma generator 1, the microwave introduction unit 40 includes a circular waveguide 42 and a plurality of rectangular waveguides 44 connected in directions orthogonal to the tube axis of the circular waveguide 42. ing. Here, the circular waveguide 42 and the plurality of rectangular waveguides 44 have a coaxial structure. The plurality of rectangular waveguides 44 are arranged at symmetrical positions with the tube axis of the circular waveguide 42 as the center. In the example of FIG. 5, the case where the number of the rectangular waveguides 44 is six is illustrated, but the number of the rectangular waveguides 44 is not limited. For example, two, three, four, five, and seven There is no particular limitation as long as a configuration having eight characteristics can be realized. The microwave generation unit may include two or more of the circular waveguide 42 and the rectangular waveguide 44. However, since these have a coaxial structure, one microwave generator is provided in one of the waveguides 42 and 44, and the microwaves generated by the microwave generator are applied to the waveguides 42 and 44. It is preferable to distribute it to the other waveguides 42 and 44 via. For example, it is preferable that the circular waveguide 42 is provided with a microwave generation unit, and the microwave generated by the microwave generation unit is equivalently propagated from the circular waveguide 42 to each rectangular waveguide 44.

そして、流路１０は、円形導波管４２から各矩形導波管４４の内部を通過するように構成されている。かかる流路１０は、円形導波管４２から各矩形導波管４４へと分岐された後に再び合流するよう構成されていても良い。あるいは、一つの流路１０が円形導波管４２から各矩形導波管４４を順に通過するようした後は再び円形導波管４２を通過するように構成されていても良い。そして、矩形導波管４４の内部には、この流路１０に連通するプラズマ発生空間２０と、プラズマ発生部３０とが設けられている。なお、流路１０、プラズマ発生空間２０、プラズマ発生部３０およびマイクロ波導入部４０の具体的な形態については、第１実施形態において説明したため、ここでは省略する。
かかる構成によると、例えば、一つのマイクロ波発生部で発生させたマイクロ波を用いて、複数（例えば六つ）のプラズマ発生部３０においてプラズマを発生させることができる。すなわち、例えば、一つの電源を使用して、複数の矩形導波管４４に等価にマイクロ波を導入してプラズマを発生させることが可能となる。これにより、より少ないエネルギーでより多くのプラズマを発生させることができる。また、より少ないスペースでより多くのプラズマを発生させることができる。さらに、例えば、流路１０が各矩形導波管４４を巡回する構成のプラズマ発生装置１においては、一の流路１０に対し複数（例えば六つ）のプラズマ発生部３０を備え得るため、省スペースであるとともに、例えば、一の流路１０に所定の体積の流体を流す際に、より多くのプラズマを発生させることができる。
したがって、例えば、流体処理装置１００がかかるプラズマ発生装置１を備えることにより、より少ないエネルギーで、より一層効率的に被処理流体のプラズマ処理を行うことが可能となる。 The flow path 10 is configured to pass from the circular waveguide 42 to the inside of each rectangular waveguide 44. The flow path 10 may be configured so as to merge again after being branched from the circular waveguide 42 to each rectangular waveguide 44. Alternatively, after one channel 10 passes through each rectangular waveguide 44 from the circular waveguide 42 in order, it may be configured to pass through the circular waveguide 42 again. Inside the rectangular waveguide 44, a plasma generation space 20 that communicates with the flow path 10 and a plasma generation unit 30 are provided. In addition, since the specific form of the flow path 10, the plasma generation space 20, the plasma generation part 30, and the microwave introduction part 40 was demonstrated in 1st Embodiment, it abbreviate | omits here.
According to such a configuration, for example, a plurality of (for example, six) plasma generators 30 can generate plasma using microwaves generated by one microwave generator. That is, for example, it is possible to generate plasma by introducing microwaves into a plurality of rectangular waveguides 44 using a single power source. Thereby, more plasma can be generated with less energy. In addition, more plasma can be generated in a smaller space. Further, for example, in the plasma generator 1 configured so that the flow path 10 circulates each rectangular waveguide 44, a plurality of (for example, six) plasma generation units 30 can be provided for one flow path 10. In addition to being a space, for example, when a predetermined volume of fluid flows through one flow path 10, more plasma can be generated.
Therefore, for example, by providing the plasma processing apparatus 1 in the fluid processing apparatus 100, it becomes possible to perform the plasma processing of the fluid to be processed more efficiently with less energy.

＜試験例＞
上記第２実施形態で示した構成の流体処理装置を用い、メチレンブルー（ＭＢ）水溶液を被処理流体として、プラズマ処理によるＭＢの分解を行った。具体的には、まず、メチレンブルー（Ｃ_１６Ｈ_１８ＣｌＮ_３Ｓ、キシダ化学株式会社、０００−４９４７２４）を純水に溶解させることで８ｍｇ／ＬのＭＢ水溶液を８Ｌ調製し、貯留タンクに供給した。このＭＢ水溶液を、流体処理装置の流路に１３．７Ｌ／ｍｉｎの流量で流通させた状態で、プラズマ発生部にマイクロ波を導入してプラズマを発生させた。マイクロ波の出力条件は、進行波出力Ｐｆ（forward power）：９５５Ｗ、反射波出力Ｐｒ（reflected power)：７３Ｗとなるよう調整した。なお、ＭＢ水溶液の水温は、適宜冷却器を用い、貯留タンクにおいて２８±３℃に保つようにした。そして、貯留タンクのＭＢ水溶液のＭＢ濃度の経時変化を調べることで、発生されたマイクロ波プラズマによるＭＢの分解状況を評価した。
なお、ＭＢ濃度は、プラズマの照射開始から５分間隔で所定量のＭＢ水溶液を採取し、紫外・可視吸光（ＵＶ−Ｖｉｓ）分光光度計にて６５５ｎｍ付近のメチレンブルーの最大吸光度ピークを測定することで調べた。その結果を図６（ａ）に示した。図６の縦軸は、ＭＢ水溶液の初期濃度に対する濃度の低下割合を、ＭＢの分解率（％）として示している。 <Test example>
Using the fluid treatment apparatus having the configuration shown in the second embodiment, MB was decomposed by plasma treatment using a methylene blue (MB) aqueous solution as a fluid to be treated. Specifically, first, 8 L of an 8 mg / L aqueous MB solution was prepared by dissolving methylene blue (C ₁₆ H ₁₈ ClN ₃ S, Kishida Chemical Co., Ltd., 000-494724) in pure water and supplied to the storage tank. . In a state where the MB aqueous solution was circulated through the flow path of the fluid processing apparatus at a flow rate of 13.7 L / min, a microwave was introduced into the plasma generation unit to generate plasma. The microwave output conditions were adjusted to be traveling wave output Pf (forward power): 955 W and reflected wave output Pr (reflected power): 73 W. The water temperature of the MB aqueous solution was appropriately maintained at 28 ± 3 ° C. in a storage tank using a cooler. And the decomposition | disassembly condition of MB by the generated microwave plasma was evaluated by investigating the time-dependent change of MB density | concentration of MB aqueous solution of a storage tank.
As for MB concentration, a predetermined amount of MB aqueous solution is collected at intervals of 5 minutes from the start of plasma irradiation, and the maximum absorbance peak of methylene blue near 655 nm is measured with an ultraviolet / visible absorption (UV-Vis) spectrophotometer. I examined it. The result is shown in FIG. The vertical axis in FIG. 6 indicates the rate of decrease in concentration relative to the initial concentration of the MB aqueous solution as the MB decomposition rate (%).

なお、比較のために、同様の出力条件で発生させたマイクロ波プラズマを、（ｂ）バッチ処理方式でＭＢ水溶液に照射した場合、および、さらに（ｃ）かかるバッチ処理に出力５００Ｗの超音波照射を併用した場合についても、ＭＢの分解率（％）を調べ、その結果を併せて図６に（ｂ）（ｃ）としてそれぞれ示した。なお、ＭＢ濃度の測定は、プラズマの照射開始から１０分間隔で行った。   For comparison, the microwave plasma generated under the same output conditions is (b) when the MB aqueous solution is irradiated by the batch processing method, and (c) ultrasonic irradiation with an output of 500 W is applied to the batch processing. Also in the case of using together, the decomposition rate (%) of MB was examined, and the results are also shown as (b) and (c) in FIG. The MB concentration was measured at an interval of 10 minutes from the start of plasma irradiation.

図６の（ａ）に示されるように、ここに開示される流体処理装置を用いたプラズマ処理により、マイクロ波プラズマの照射と共に６５５ｎｍ付近のメチレンブルーの最大吸光度ピークが低下し、メチレンブルーが分解されて退色してゆくのが確認できた。また、プラズマのバッチ処理方式（ｂ）や、バッチ処理と超音波照射とを併用する方法（ｃ）と比較して、同じマイクロ波発生エネルギーでより高効率なＭＢの分解が可能であることが確認された。
そこで、ＭＢの分解の様子を、下式（１）に基づく分解モデルに基づいて疑似一次反応速度定数（α）を算出することで、定量的に評価した。
ｎ＝ｎ_０×ｅｘｐ（−αＨ） …（１）
ここで式（１）中、ｎ_０はＭＢの初期濃度（８ｍｇ／Ｌ）であり、ｎはプラズマ照射時間（サンプリング時間）ｔにおけるメチレンブルー濃度である。また、Ｈは単位体積あたりに導入したマイクロ波エネルギーであり、Ｈ＝５９．７ｋＷｈ／ｍ^３を外挿した。得られた反応速度定数（分解速度定数）（α）を、下記表１に示した。 As shown in FIG. 6A, the maximum absorbance peak of methylene blue near 655 nm is lowered with the plasma treatment using the fluid treatment device disclosed herein, and methylene blue is decomposed. I was able to confirm fading. In addition, compared with the plasma batch processing method (b) and the method (c) using both batch processing and ultrasonic irradiation, it is possible to decompose MB more efficiently with the same microwave generation energy. confirmed.
Therefore, the state of MB decomposition was quantitatively evaluated by calculating the pseudo first order reaction rate constant (α) based on the decomposition model based on the following equation (1).
n = n ₀ × exp (−αH) (1)
Here, in the formula (1), n ₀ is the initial MB concentration (8 mg / L), and n is the methylene blue concentration at the plasma irradiation time (sampling time) t. H is the microwave energy introduced per unit volume, and H = 59.7 kWh / m ³ was extrapolated. The obtained reaction rate constant (decomposition rate constant) (α) is shown in Table 1 below.

表１から判るように、ここに開示される連続処理型の流体処理装置によると、バッチ処理による方法に比べて反応定数αがおおよそ二桁も上昇し、バッチ処理と超音波照射とを併用する方法に比べても、反応定数αは一桁以上高い値であった。このことから、ここに開示される連続処理型の流体処理装置によると、同じエネルギーで効率よくプラズマが発生できるとともに、発生させたプラズマを失活させることなく良好に被処理流体に導入することができ、極めて効率よく流体のプラズマ処理を行えることが確認できた。   As can be seen from Table 1, according to the continuous processing type fluid processing apparatus disclosed herein, the reaction constant α is increased by approximately two orders of magnitude compared to the batch processing method, and batch processing and ultrasonic irradiation are used in combination. Even compared with the method, the reaction constant α was higher by one digit or more. Therefore, according to the continuous processing type fluid processing apparatus disclosed herein, plasma can be generated efficiently with the same energy, and the generated plasma can be introduced into the processing fluid well without being deactivated. It was confirmed that the plasma treatment of the fluid can be performed very efficiently.

次いで、上記と同じ流体処理装置を用い、ＭＢ水溶液の流量（流速）を（１）１３．７Ｌ／ｍｉｎ，（２）１１Ｌ／ｍｉｎ，（３）９Ｌ／ｍｉｎと変化させ、その他の条件は同様にしてプラズマ処理を行った。かかるプラズマ処理によるＭＢの分解状況について調べ、その結果を図７に示した。
図７に示されるように、ここに開示される流体処理装置によると、ＭＢ水溶液の流量を増大させればさせるほど、ＭＢの分解効率が上がることが解った。そこで、最も低流量である（３）９Ｌ／ｍｉｎで６０分間の処理をしたときを基準として、かかる条件でのＭＢ水溶液の処理サイクル数（処理流速×処理時間÷処理体積＝６７．８サイクル）に達するまでに要する、処理時間と、その時のＭＢ分解率とを調べた。その結果を下記の表２に示した。 Next, using the same fluid processing apparatus as described above, the flow rate (flow velocity) of the MB aqueous solution was changed to (1) 13.7 L / min, (2) 11 L / min, (3) 9 L / min, and other conditions were the same Then, plasma treatment was performed. The MB decomposition state by the plasma treatment was examined, and the result is shown in FIG.
As shown in FIG. 7, according to the fluid treatment device disclosed herein, it was found that the MB decomposition efficiency increases as the flow rate of the MB aqueous solution is increased. Therefore, the number of processing cycles of the MB aqueous solution under such conditions (processing flow rate × processing time ÷ processing volume = 67.8 cycles) on the basis of the case of processing for 60 minutes at the lowest flow rate (3) 9 L / min. The processing time required to reach the value and the MB decomposition rate at that time were examined. The results are shown in Table 2 below.

表２に示されるとおり、流量を増大させた場合に、１サイクル当たりのＭＢ分解率が高くなり、より効率の良い流体処理が可能であることが確認できた。すなわち、ここに開示される流体処理装置によると、マイクロ波励起プラズマは流体中には発生されない。また、サイクル速度を高くすることで、流体の流速が高まり、プラズマ発生空間の圧力をより低減することができる。つまり、単位エネルギーあたりでより高濃度なプラズマを発生させることができる。そのため、流体の流速を高めた場合でも、安定してより高濃度なプラズマを均一性良く発生させることができる。これにより、ここに開示される流体処理装置を用いることにより、安定で、より高効率なプラズマ処理が可能となることが示された。
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。 As shown in Table 2, when the flow rate was increased, the MB decomposition rate per cycle was increased, and it was confirmed that more efficient fluid treatment was possible. That is, according to the fluid processing apparatus disclosed herein, microwave-excited plasma is not generated in the fluid. Further, by increasing the cycle speed, the flow rate of the fluid is increased and the pressure in the plasma generation space can be further reduced. That is, it is possible to generate a plasma with a higher concentration per unit energy. Therefore, even when the flow rate of the fluid is increased, it is possible to stably generate a higher concentration plasma with good uniformity. Thus, it has been shown that stable and higher-efficiency plasma processing can be performed by using the fluid processing apparatus disclosed herein.
As mentioned above, although this invention was demonstrated by suitable embodiment, such description is not a limitation matter and of course various modifications are possible.

１ プラズマ発生装置
１０ 流路
１２ 上部電極部材
１４ 下部電極部材
２０ プラズマ発生空間
２２ 括れ部
２４ 流速制御部材
３０ プラズマ発生部
３０ａ，３０ｂ 環状凸部
４０ マイクロ波導入部
４２ 円形導波管
４４ 矩形導波管
４６ 可動壁部材
５０ 誘電体部
１００ 流体処理装置
１１０ 循環路
１２０ ポンプ
１３０ 貯留タンク
１４０ 冷却器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Plasma generator 10 Channel 12 Upper electrode member 14 Lower electrode member 20 Plasma generation space 22 Constriction part 24 Flow velocity control member 30 Plasma generation part 30a, 30b Annular convex part 40 Microwave introduction part 42 Circular waveguide 44 Rectangular waveguide Pipe 46 Movable wall member 50 Dielectric part 100 Fluid processing device 110 Circulation path 120 Pump 130 Storage tank 140 Cooler

Claims (10)

流体を流通させる流路と、
前記流路に連通し、前記流体の流れ方向に対し直交する方向の外側に広がるプラズマ発生空間と、
前記プラズマ発生空間に設けられ、前記流路から前記直交方向外側に離間して配置された円環状のプラズマ発生部と、
前記プラズマ発生部にマイクロ波を伝播するマイクロ波導入部と、
を備え、
前記プラズマ発生部は、間隙をもって対向配置された一対の環状凸部により構成されており、
前記流路を流れる前記流体により減圧状態とされた前記プラズマ発生空間に生成される気体状の前記流体を、前記マイクロ波導入部から導入されたマイクロ波により前記プラズマ発生部でプラズマ化する、プラズマ発生装置。 A flow path for fluid flow;
A plasma generating space that communicates with the flow path and extends outward in a direction perpendicular to the flow direction of the fluid;
An annular plasma generator disposed in the plasma generation space and spaced apart from the flow path outward in the orthogonal direction; and
A microwave introduction unit for propagating microwaves to the plasma generation unit;
With
The plasma generating part is composed of a pair of annular convex parts arranged to face each other with a gap between them,
Plasma in which the gaseous fluid generated in the plasma generation space, which has been decompressed by the fluid flowing through the flow path, is turned into plasma by the microwave introduced from the microwave introduction unit. Generator. 前記流路と前記プラズマ発生空間との連通部分近傍を流れる前記流体の圧力が、２００ｈＰａ以下となるよう構成されている、請求項１に記載のプラズマ発生装置。   The plasma generating apparatus according to claim 1, wherein the pressure of the fluid flowing in the vicinity of a communication portion between the flow path and the plasma generation space is 200 hPa or less. 前記流路は、前記流れ方向の上流側から前記連通部分に向けて、断面積が減少している、請求項１または２に記載のプラズマ発生装置。   The plasma generating apparatus according to claim 1, wherein the flow path has a cross-sectional area that decreases from an upstream side in the flow direction toward the communication portion. 前記流路の内部には、前記連通部分から上流側に流速制御部材が備えられており、
前記流速制御部材は、流れ方向の上流側から前記連通部分に向けて断面積が減少する絞部を備えている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。 Inside the flow path, a flow rate control member is provided on the upstream side from the communicating portion,
The plasma generation device according to any one of claims 1 to 3, wherein the flow rate control member includes a constriction portion whose cross-sectional area decreases from the upstream side in the flow direction toward the communication portion. 前記流路は円管形状であって、
前記マイクロ波導入部は矩形管状であって、
前記プラズマ発生空間は、前記マイクロ波導入部の内部に設けられている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。 The flow path has a circular tube shape,
The microwave introduction part is a rectangular tube,
The plasma generation apparatus according to claim 1, wherein the plasma generation space is provided inside the microwave introduction unit. さらに、前記マイクロ波導入部の内部であって、かつ、前記流路および前記プラズマ発生空間の外周側の少なくとも一部に、誘電体部が備えられている、請求項５に記載のプラズマ発生装置。   The plasma generating apparatus according to claim 5, further comprising a dielectric part inside the microwave introduction part and at least partly on the outer peripheral side of the flow path and the plasma generation space. . 一の前記流路に対し、
前記プラズマ発生空間、前記プラズマ発生部および前記マイクロ波導入部が前記流れ方向に沿って複数備えられている、請求項１〜６のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。 For one said flow path
The plasma generating apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein a plurality of the plasma generation space, the plasma generation unit, and the microwave introduction unit are provided along the flow direction. 前記マイクロ波導入部は、同軸導波管からなる円形導波管と、前記円形導波管の管軸に対し各々直交する方向に連結された複数の矩形導波管とを備え、
前記複数の矩形導波管は、前記円形導波管の管軸を中心として対称位置に配置されており、
前記流路、前記プラズマ発生空間および前記プラズマ発生部は、各々の前記矩形導波管の内部に設けられている、請求項１〜７のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。 The microwave introduction unit includes a circular waveguide made of a coaxial waveguide, and a plurality of rectangular waveguides connected in directions orthogonal to the tube axis of the circular waveguide,
The plurality of rectangular waveguides are arranged at symmetrical positions around the tube axis of the circular waveguide,
The plasma generation apparatus according to claim 1, wherein the flow path, the plasma generation space, and the plasma generation unit are provided inside each of the rectangular waveguides. 請求項１〜８のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置と、
循環路と、
ポンプと、
を備え、
前記プラズマ発生装置における前記流路は、前記循環路と接続されている、流体処理装置。 The plasma generator according to any one of claims 1 to 8,
The circuit,
A pump,
With
The fluid processing apparatus, wherein the flow path in the plasma generator is connected to the circulation path. 請求項１〜８のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置を用いた流体処理方法であって、
被処理流体を前記プラズマ発生装置の前記流路に導入し、
前記プラズマ発生部で発生させたプラズマを照射することで前記被処理流体をプラズマ処理する、流体処理方法。 A fluid processing method using the plasma generator according to any one of claims 1 to 8,
Introducing a fluid to be processed into the flow path of the plasma generator;
A fluid processing method of performing plasma processing on the fluid to be processed by irradiating with plasma generated by the plasma generating section.

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