JP2005285367A - プラズマ発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマリアクター容積に対するプラズマ空間容積率の高いプラズマ生成、さらには電力効率の高いプラズマ生成を実現する。
【解決手段】プラズマリアクター、すなわちプラズマ処理室Ａ内には、接地側電極３、高圧側電極４、および両者の間に配置された誘電体部材５が設けられている。誘電体部材５は、多孔質セラミック基材に無機誘電物質を被覆した構造を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ発生装置、特に常圧下でプラズマを生成する大気圧プラズマ発生装置に関する。

プラズマを発生するプラズマ発生装置の放電方式として、無声放電、パルス放電、沿面放電、或いは強誘電体ペレット充填放電などが知られている。これらの放電方式は、いずれも、大気圧或いはそれに近い圧力状態の所定の空間に対し、その空間の近傍に位置する電極に電圧を加えることで所定の空間をプラズマ状態にするものである。例えば、強誘電体ペレット充填放電では、接地側電極と高圧側電極との間にペレット状の強誘電体が配置されていて、両電極間に電圧を印加することにより、ペレット状強誘電体間に形成されている空隙にプラズマを生成している。
特開平８−３２１３９７号公報

しかしながら、上述した無声放電、沿面放電、或いは強誘電体ペレット充填放電では、放電を効果的に生起させる理由から、放電空間が非常に狭くなっている。特に、強誘電体ペレット充填放電においては、放電密度を高くするためにペレットサイズは比較的小さなものとされるのが一般的であり、このため、プラズマリアクター容積に対し強誘電体ペレットの占有する容積が非常に大きく、空隙率が、したがってプラズマ空間容積率が非常に小さい。また、この構成では、ペレット間に形成される空隙が小さいため、被処理ガスをプラズマ空間に流通させて使用する場合、圧力損失が大きくなるという問題もある。ペレットサイズを大きくすることで、空隙率を高くすることができるが、この場合、ペレット状強誘電体間に生じる空隙が大きくなることで高密度なプラズマ空間を得にくくなるという問題点がある。

また、従来技術では、強誘電体部の容積が大きい為、プラズマを生成するために投入する電力に対し、発熱で消費される電力の割合が大きく、放電に対する電力効率が悪いという問題点があった。特許文献１には、粒状導電性材料の表面に強誘電物質を被覆した誘電体を接地側電極と高圧側電極との間に充填し、両電極間に電圧を印加してプラズマを発生させる構成とすることで、従来の強誘電物質のみで形成された誘電体を使用した場合に対し、放電開始電圧の低電圧化を図った技術が開示されている。しかしながら、特許文献１の技術は、上述したような問題点を解決できるものではない。

また、上記のような問題点に対して、プラズマリアクター容積に対しプラズマ空間容積率を高くする方法として、多孔質状のセラミックを電極間に配置することが考えられる。しかしながら、電極間に配置する多孔質状セラミックをチタン酸バリウム等の強誘電物質から形成した場合、電力の発熱消費に関して、またアルミナのような誘電率の低い物質から形成した場合、放電開始電圧に関してさらに改善の余地が有る。

本発明は、従来技術における上記課題に鑑み、プラズマリアクター容積に対するプラズマ空間容積率の高いプラズマ生成、さらには電力効率の高いプラズマ生成を実現するプラズマ発生装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の一実施態様のプラズマ発生装置は、接地側電極と、高圧側電極と、接地側電極と高圧側電極との間に配置された誘電体部材とを備え、接地側電極と高圧側電極との間に電圧を印加することにより常圧下でプラズマを生成するプラズマ発生装置であって、誘電体部材は、多孔質セラミック基材に無機誘電物質を被覆した構造を有することを特徴とする。

また、本発明の他の実施態様のプラズマ発生装置は、誘電体部材が、ハニカム形状セラミック基材に無機誘電物質を被覆した構造を有することを特徴とする。

上記構成のプラズマ発生装置によれば、プラズマ空間におけるプラズマ密度を低下させることなく、プラズマリアクター容積に対するプラズマ空間容積率を高め、また、電力効率を高めることができる。また、強誘電物質または誘電率の低い物質の単体からなる多孔質状セラミック部材を電極間に配置した構成に比べて、電力の発熱消費を低減し、放電開始電圧を低電圧化することができる。

本発明によれば、プラズマリアクター容積に対し、プラズマ空間容積率の高いプラズマ生成、さらには電力効率の高いプラズマ生成を実現することができる。

以下に、図を用いて、本発明の実施の形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。図１及び図２は、それぞれ本発明の一実施形態のプラズマ発生装置の構成を示す概略図であり、（ａ），（ｂ）は、互いに直交する面にそれぞれ沿った断面図である。図３は、図２のプラズマ発生装置に用いている誘電体部材の模式図である。図４及び図５は、それぞれ、図１及び図２と同等の構成のプラズマ発生装置を用いたガス処理装置の構成例を示す概略図である。

図１に示すプラズマ発生装置は、電圧を印加するための接地側電極３と高圧側電極４、および両者の間に配置された誘電体部材５が外壁部材２内に配置された、プラズマ処理を実行するためのプラズマ処理室Ａ、すなわちプラズマリアクターを有している。接地側電極３と高圧側電極４は、誘電体部材５を挟んで平行に設けられ、すなわち、プラズマ処理室Ａは平行平板型プラズマリアクターとして構成されている。接地側電極３と高圧側電極４は、複数の誘電体部材５を挟んで交互に複数設けられており、プラズマ処理室Ａは、全体として、誘電体部材５とこれを挟む接地側電極３および高圧側電極４によって構成されるプラズマ処理ユニットが複数個積層された構成となっている。

尚、図１には、矩形の形状を有するプラズマ処理室Ａを示しているが、プラズマ処理室Ａの形状はこれに限定されるものではない。これは、以下の各図においても同様である。

プラズマ処理室Ａの、接地側電極３および高圧側電極４に直交する一側面には、プラズマ処理室Ａ内に被処理ガスなどのガスを流入させるためのガス流入孔２ａが形成され、反対側の側壁には、プラズマ処理室Ａからガスを流出させるためのガス流出孔２ｂが形成されている。ガス流入孔２aとガス流出孔２ｂは、各誘電体部材５に、したがって各プラズマ処理ユニットに対応してそれぞれ複数個所に設けられている。

プラズマ処理室Ａの、ガス流入孔２ａが設けられた側には、系外からガスを導入するためのガス導入口１を備え、導入したガスを各ガス流入孔２ａに導くガス導入部Ｂが設けられている。同様に、プラズマ処理室Ａの、ガス流出孔２ｂが設けられた側には、系外にガスを排出するためのガス排出口１を備え、各ガス流入孔２ｂから流出したガスをガス排出口１に導くガス排出部Ｃが設けられている。

図１のプラズマ処理装置において、各誘電体部材５は、３次元網目構造を形成する多孔質状の構造を有しており、網目構造の間隙がガスの流路となる。この誘電体部材５は、詳細には図示していないが、多孔質セラミック基材に無機誘電物質が被覆された構造を有しており、多孔質セラミック基材に無機電物質を被覆後、焼成することによって形成されている。

この際、多孔質セラミック基材は、無機誘電物質より低い比誘電率を有しており、多孔質セラミック基材の比誘電率は５０以下であることが望ましい。そうしたセラミックの好ましい具体例として、アルミナ、酸化ジルコニウムが挙げられる。一方、無機誘電物質は強誘電物質であり、無機誘電物質の比誘電率は１０００以上であることが望ましい。そうした無機誘電物質の好ましい具体例として、チタン酸バリウム及びチタン酸ストロンチウムが挙げられる。しかし、これら多孔質セラミック基材、無機誘電物質は、上記の素材に限定されるものではなく、上記の条件を満たすものであれば、他のセラミックス、強誘電体を使用することができる。

図２に示すプラズマ発生装置は、誘電体部材１５の構成が異なる以外は図１に示すものと同等の構成を有しており、図２において、図１と同様の部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図２に示すプラズマ発生装置における誘電体部材１５は、図３に示すように、ハニカム形状セラミック基材２１に無機誘電物質２２を被覆した構造を有しており、ハニカム形状セラミック基材に無機電物質を被覆後、焼成して形成されている。

ハニカム形状セラミック基材２１は、折り曲げ加工が可能なシート状セラミックをコルゲート加工することで波型に成形したものと、平板状のシート状セラミックとを交互に積層して構成されている。このハニカム形状セラミック基材２１を構成するセラミックス材料は、無機誘電物質より低い比誘電率を有しており、ハニカム形状セラミック基材２１の比誘電率は５０以下であることが望ましい。そうしたセラミックス材料の好ましい具体例として、アルミナ、酸化ジルコニウムが挙げられる。無機誘電物質２２は強誘電物質であり、無機誘電物質２２の比誘電率は１０００以上であることが望ましい。そうした無機誘電物質２２の好ましい具体例として、チタン酸バリウム及びチタン酸ストロンチウムが挙げられる。しかし、これらハニカム形状セラミック基材２１、無機誘電物質２２は、上記の素材に限定されるものではなく、上記の条件を満たすものであれば、他のセラミックス、強誘電体を使用することができる。

図１及び図２のそれぞれに示す平行平板型プラズマリアクターを有するプラズマ発生装置は、例えば、図４，５に示すようなガス処理装置において、揮発性有害物質を含有するガスを被処理ガスとして、プラズマ処理することによって被処理ガスを無害化するのに用いることができる。図４，５に示す各ガス処理装置では、図１，２に示すのと同等の構成のプラズマ発生装置のガス導入口１に、被処理ガスを流通させるためのファン１２が設けられた導入パイプ１３が接続され、ガス排出口６に、処理されたガスを排出する排出パイプ１４が接続されている。また、接地側電極３と高圧側電極４の間には、高圧電源１１が接続されている。なお、図４，５におけるプラズマ発生装置は、図１，２に示すものとプラズマ処理ユニットの数が異なっている他は同じ構成を有している。プラズマ処理ユニットの数は、図示するものに限られず、適宜変更が可能である。

これらのガス処理装置によるガス処理は、次のように実行される。すなわち、ファン１２を起動して、被処理ガスをガス導入部Ｂからプラズマ処理室Ａ内の各プラズマ処理ユニット内に流入させ、誘電体部材５，１５と接触させながら各プラズマ処理ユニット内を流通させ、その際、高圧電源１１によって接地側電極３と高圧側電極４との間に電圧を印加する。これによって、各プラズマ処理ユニット内の、常圧下にある誘電体部材間隙空間部、および間隙壁面に放電が発生してプラズマが生起され、このプラズマによって被処理ガスが分解されて無害化される。このように各プラズマ処理ユニット内でプラズマ処理されて無害化されたガスはガス排出部Ｃに流出し、ガス排出口６を介して系外に排出される。

以上説明した本実施形態によれば、プラズマ処理室Ａ、すなわちプラズマリアクターにおいて、プラズマの密度を大きく低下させることなく、空隙率を高め、高いプラズマ空間容積率を得ることができ、また、電力効率を高めることができる。また、強誘電物質または誘電率の低い物質の単体からなる多孔質状セラミック部材を電極間に配置した構成に比べて、電力の発熱消費を低減し、放電開始電圧を低電圧化することができる。

なお、平行平板型プラズマリアクターは、図６に示すような構成とすることもできる。図６に示す構成では、誘電体部材５の両側に、気体の通過が可能なメッシュ構造の接地側電極２３と高圧側電極２４が設けられている。この構成では、被処理ガスを、図に矢印で示すように、接地側電極２３と高圧側電極２４に垂直な方向に流通させて処理が行われる。この際、接地側電極２３と高圧側電極２４の間には、ハニカム構造の誘電体部材１５を配置してもよく、この場合、誘電体部材１５は、接地側電極２３側の面と高圧側電極２４側の面との間にガスを流通させることができるように構成する。

図６に示す平行平板型プラズマリアクターによる被処理ガスのプラズマ処理は、例えば次のように実行される。すなわち、揮発性有害物質を含有するガス等の被処理ガスを、接地側電極２３と高圧側電極２４との一方の側から流し、その際、高圧電源１１によって接地側電極２３と高圧側電極２４との間に電圧を印加する。これによって、常圧下にある誘電体部材間隙空間部、間隙壁面に放電が発生してプラズマが生起され、このプラズマによって被処理ガスが分解されて無害化される。このようにプラズマリアクター内でプラズマ処理されて無害化されたガスは、接地側電極２３と高圧側電極２４との他方の側から流出し、系外に排出される。

本発明の特徴及び効果を、実施例、比較例１及び比較例２によって以下により具体的に説明するが、本発明はこの実施例によって何ら限定されるものではない。

実施例及び比較例１及び２においては、構成の異なるガス処理装置を使用して、以下のように、揮発性物質を含有するガスを無害化する処理を行った。
（実施例）
実施例で使用した、プラズマ発生装置を用いたガス処理装置の模式的な構成図を図７に示す。このガス処理装置においては、図１に示すのと同等の構成の平行平板型プラズマリアクターを有するプラズマ発生装置を使用した。そして、このプラズマ発生装置のガス導入口１に接続されたガス導入パイプ１３は被処理ガスボンベ８から延びており、ガス流量調節器９を設けられている。ガス排出口６に接続されたガス排出パイプ１４には、分析機器１０が接続されている。プラズマ発生装置の接地側電極３と高圧側電極４の間には、高圧電源１１が接続されている。誘電体部材５としては、多孔質アルミナ基材にチタン酸バリウム（比誘電率ε＝１６００）を塗布し、１２５０℃で焼成したものを用いた。誘電体部材５全体としての空隙率、すなわち空孔率は８０％である。

プラズマリアクターとしては、内容積が３０ｍＬであり、高圧側電極２及び接地側電極３の大きさが５０ｍｍ×３０ｍｍ×１０ｍｍであり、電極間距離が１０ｍｍのものを用いた。分析機器１０としては、ガス検知管（ガステック社製）を使用した。

このガス処理装置を用い、１０ｐｐｍアンモニアガスを毎分６Ｌの流量で流通させ、印加電圧を１５ｋＶp-pから２３ｋＶp-pに変化させてプラズマ処理を行った。放電処理後のガスを分析したところアンモニア濃度は、０ｐｐｍから７ｐｐｍ程度であり、処理率としては、３０％から１００％となった。消費電力は、１．０Ｗ〜４．０Ｗとなった。
（比較例１）
比較例１では、図８に示す構成のガス処理装置を使用した。図８に示すガス処理装置には、図９示すプラズマ発生装置が用いられている。このプラズマ発生装置は、誘電体部材２５として、球状の複数の誘電体を配置したものを用いた点で、図７に示す実施例のものと異なっている。誘電体としては、粒状チタン酸バリウム（粒径＝３mmφ、比誘電率ε＝１６００）を用いた。誘電体部材２５全体としての空隙率は２６％である。プラズマリアクターの内容積や、高圧側電極２及び接地側電極３の大きさ、使用した分析機器１０は、実施例と同様である。

このガス処理装置を用い、実施例と同様にアンモニアガスを流通させ、印加電圧を変化させてプラズマ処理を行った。放電処理後のガスを分析したところアンモニア濃度は、０ｐｐｍから９．５ｐｐｍ程度であり、処理率としては、５％から１００％となった。消費電力は、１．０Ｗ〜６．７Ｗとなった。
（比較例２）
比較例２では、図９に示す構成のガス処理装置を使用した。図９に示すガス処理装置は、誘電体部材３５として、図１に示すプラズマ発生装置における多孔質セラミック基材のみからなり、無機誘電物質が被覆されていないものを用いた点で、図７に示す比較例のガス処理装置と異なっている。プラズマリアクターの内容積や、高圧側電極２及び接地側電極３の大きさ、使用した分析機器１０は、実施例と同様である。

このガス処理装置を用い、実施例と同様にアンモニアガスを流通させ、印加電圧を変化させてプラズマ処理を行った。放電処理後のガスを分析したところアンモニア濃度は、０ｐｐｍから９ｐｐｍ程度であり、処理率としては、１０％から１００％となった。消費電力は、１．０Ｗ〜４．０Ｗとなった。
（評価）
実施例及び比較例１、比較例２において得られた結果を図１１乃至図１３にグラフとして示す。図１１は、実施例と比較例１及び比較例２で得られた、消費電力に対するアンモニア処理率の変化に係る結果を示すグラフ、図１２は、印加電圧に対するアンモニア処理率の変化に係る結果を示すグラフ、図１３は、印加電圧に対する消費電力の変化に係る結果を示すグラフである。

図１１から、１００％の処理率を得るための消費電力は、実施例では、４．０Ｗであったのに対し、比較例１では、６．７Ｗであるのが分かる。すなわち、実施例では、比較例１に対して４０％に消費電力を抑制できていることが分かる。

図１１から、比較例２と実施例では、消費電力を同程度にした時、アンモニア処理率が、ほぼ同程度であるのが分かる。しかし、図１２から、実施例では、比較例に対して印加電圧を抑えることができていることが分かる。すなわち、実施例では、無機誘電物質としてチタン酸バリウムの被覆を行なった誘電体部材を用いることによって、被覆を行っていないものを用いた比較例２に対して、処理時の印加電圧を低電圧化することができていることが分かる。

本発明の一実施形態のプラズマ発生装置の模式図であり、図１（ａ）、図１（ｂ）は互いに垂直な面にそれぞれ沿った断面図である。 本発明の他の実施形態のプラズマ発生装置の模式図であり、図２（ａ）、図２（ｂ）は互いに垂直な面にそれぞれ沿った断面図である。 図２のプラズマ発生装置に用いられる誘電体部材の模式図であり、図３（ａ）は斜視図、図３（ｂ）は部分的に拡大して示す正面図である。 図１と同等の構成のプラズマ発生装置を用いたガス処理装置の構成図である。 図２と同等の構成のプラズマ発生装置を用いたガス処理装置の構成図である。 本発明のさらに他の実施形態のプラズマ発生装置の模式図である。 実施例において使用したガス処理装置の構成図である。 比較例１において使用したガス処理装置の構成図である。 比較例１において使用したプラズマ発生装置の模式図であり、図９（ａ）、図９（ｂ）は互いに垂直な面にそれぞれ沿った断面図である。 比較例２において使用したガス処理装置の構成図である。 実施例と比較例１及び比較例２で得られた、消費電力に対するアンモニア処理率の変化に係る結果を示すグラフである。 実施例と比較例１及び比較例２で得られた、印加電圧に対するアンモニア処理率の変化に係る結果を示すグラフである。 実施例と比較例１及び比較例２で得られた、印加電圧に対する消費電力の変化に係る結果を示すグラフである。

符号の説明

３ 接地側電極
４ 高圧側電極
５，１５ 誘電体部材
２１ ハニカム形状セラミック基材
２２ 無機誘電物質

Claims (7)

1. 接地側電極と、高圧側電極と、前記接地側電極と前記高圧側電極との間に配置された誘電体部材とを備え、前記接地側電極と前記高圧側電極との間に電圧を印加することにより常圧下でプラズマを生成するプラズマ発生装置であって、
   前記誘電体部材は、多孔質セラミック基材に無機誘電物質を被覆した構造を有することを特徴とするプラズマ発生装置。
2. 前記無機誘電物質は、強誘電物質であり、前記多孔質セラミック基材に被覆後、焼成されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生装置。
3. 前記多孔質セラミック基材は、３次元網目構造を有し、前記無機誘電物質より低い比誘電率を有する材料からな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。
4. 接地側電極と、高圧側電極と、前記接地側電極と前記高圧側電極との間に配置された誘電体部材とを備え、前記接地側電極と前記高圧側電極との間に電圧を印加することにより常圧下でプラズマを生成するプラズマ発生装置であって、
   前記誘電体部材は、ハニカム形状セラミック基材に無機誘電物質を被覆した構造を有することを特徴とするプラズマ発生装置。
5. 前記ハニカム形状セラミック基材は、折り曲げ加工が可能なシート状セラミックをコルゲート加工することで波型に成形したものと、平板状の前記シート状セラミックとを交互に積層した構造を有することを特徴とする請求項４に記載のプラズマ発生装置。
6. 前記無機誘電物質は、強誘電物質であり、前記ハニカム形状セラミック基材に被覆後、焼成されていることを特徴とする請求項４または５に記載のプラズマ発生装置。
7. 前記ハニカム形状セラミック基材は、前記無機誘電物質より低い比誘電率を有する材料からなることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。

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