JP2012167614A - プラズマ発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】処理対象のガス成分を含むガスに対して電圧を与えて大気圧中でプラズマ発生させるとき、ガスを効率よく処理するプラズマ発生装置を提供する。
【解決手段】プラズマ発生装置は、電力が給電される棒状電極と、内部空間を備え、前記棒状電極が前記内部空間内に設けられる金属製の筒状筐体と、を有する。前記棒状電極の第１の端部には、前記筒状筐体の一方の端部の第１の端面に対向し、前記第１の端部を保護するように電極側誘電体バリア層が設けられ、前記筒状筐体の前記第１の端面には前記ガスを供給する供給口が設けられ、前記筒状筐体の前記第１の端面には前記供給口の周りを覆うように筐体側誘電体バリア層が設けられる。前記棒状電極の前記第１の端部における周上エッジ部分を、前記筒状筐体の前記第１の端面上に前記長手方向に平行に投影したとき、前記周上エッジ部分は前記筐体側誘電体バリア層上あるいは前記供給口上の領域に投影される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、処理対象のガス成分を含むガスに対して電圧を与えて大気圧中でプラズマ発生させるプラズマ発生装置に関する。

今日、ディーゼルエンジン等から排気される排気ガス中のＮＯを酸化処理するために、大気圧中で生成されるプラズマを利用する処理装置が提案されている。

従来、電極間に数ｋＶの高電圧を印加してプラズマを生成し、このプラズマを利用して、供給されたＮＯの酸化処理を行うプラズマリアクターが提案されている（非特許文献１）。図１１には、このプラズマリアクターの装置構成が示されている。図１１に示されるように、プラズマリアクター１０は、筒状の誘電体ガラス管１２と、誘電体ガラス管１２の外周面に巻かれた電極１６と、誘電体ガラス管１２内の多孔性の誘電体板１８，２０で両側が隔離された空間に配置された誘電体結晶からなる球形ペレット２２と、放電電極１４と電極１６との間に６０Ｈｚの交流電圧を印加する交流電源２４と、を有する。

放電電極１４と電極１６との間に電圧を印加することにより、球形ペレット２２間で高電界が形成され、ナノ秒オーダーの短い周期のマイクロ放電が発生して非平衡プラズマを生成する。一方、誘電体ガラス管１２には、ＮＯを含む窒素酸化ガスがガス流体として球形ペレット２２の隙間を流れる。このため、ＮＯを含む窒素酸化ガスは、球形ペレット２２間の狭い隙間で生成されるプラズマを用いて酸化され、誘電体ガラス管１２から排出される。これにより、ＮＯの酸化処理を効率よく行うことができるとされている。

また、大気中のプラズマの生成領域を拡大して、供給されたガスを効率よく処理する高電圧プラズマ発生装置が知られている（特許文献１）。
具体的には、当該装置は、高周波信号の給電により共振を発生させ、この共振により高電圧を発生させる長尺状の電極であって、交流信号の給電点が長尺状の中間部分に設けられる第１の電極と、第１の電極の周りを覆い、第1の電極の少なくとも一方の端から、第1の電極の延長上の離間した位置に、ガス流の供給口が設けられた金属製の筐体と、第１の電極の一方の端の近傍に、一方の端から離間して設けられ、筐体と接続された、アースされた第２の電極と、第１の電極が電磁波を放射する際の共振周波数と同じ周波数の信号を給電する電力供給装置と、を有する。この装置では、第１の電極と第２の電極間の領域で、ガスを用いたプラズマが生成される。

「非平衡プラズマと化学反応プロセスを併用した窒素酸化ガスの完全除去技術（従来型およびバリア型プラズマリアクターの性能比較），山本俊昭他，日本機械学会論文集，６６−６４６Ｂ（２０００），１５０１−１５０６号公報

特開２０１０−０２５０４９号公報

しかし、上記非特許文献１に開示されるプラズマリアクター１０では、球形ペレット２２を、ガスを流す流路に配置するので、流路抵抗等によって十分な流量を確保することが難しい。また、ナノ秒オーダーの短い周期のマイクロ放電を用いるので、ＮＯの酸化処理の効率が低い。このため、プラズマの生成領域を広くして、多くのＮＯを効率よく酸化処理することが望まれている。また、放電のために数ｋＶの電圧を印加するので、電源が大型化し、コンパクトな装置の構成は難しい。

一方、特許文献１に開示される高電圧プラズマ発生装置では、第２の電極としてガスの供給口を覆うように網状電極が設けられることにより、供給口上の網状電極と長尺状の電極との間の広い範囲で、プラズマの生成を行うことができる。しかし、この高電圧プラズマ発生装置では、プラズマが広い範囲に均一にかつ安定的に生成されない場合があり、ガスを効率よく処理できない場合がある。

そこで、本発明は、処理対象のガス成分を含むガスに対して電圧を与えて大気圧中でプラズマ発生させるとき、ガスを効率よく処理することができるプラズマ発生装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、処理対象のガス成分を含むガスに対して電圧を与えて大気圧中でプラズマ発生させるプラズマ発生装置である。当該装置は、
プラズマ発生のために電力が給電される棒状電極と、
一方向に長い内部空間を備え、前記棒状電極が前記内部空間内に前記内部空間の長手方向に沿って設けられる金属製の筒状筐体と、
前記棒状電極の第１の端部に、前記第１の端部を保護するように設けられる電極側誘電体バリア層と、
前記電極側誘電体バリア層と対向する前記筒状筐体における第１の端面に設けられる前記ガスを供給する供給口と、
前記第１の端面に前記供給口の周りを囲むように設けられる筐体側誘電体バリア層と、を有する。
その際、前記棒状電極の前記第１の端部の断面形状における電極側周上エッジ部分を、前記筒状筐体の前記第１の端面上に前記長手方向に平行に投影したとき、前記電極側周上エッジ部分は前記筐体側誘電体バリア層上あるいは前記供給口上の領域に投影される。

前記装置では、前記供給口の筐体側周上エッジ部分を前記棒状電極に対する対向電極としてプラズマが発生し、例えば、前記電極側周上エッジ部分から前記筐体側周上エッジ部分に至る最短距離が、前記電極側周上エッジ部分の各位置において同じである、ことが好ましい。

さらに、前記筐体側周上エッジ部分及び前記電極側周上エッジ部分はいずれも円弧形状を成し、前記円弧形状の中心位置がいずれも前記長手方向に平行な同一の直線上に位置する、ことが好ましい。

また、前記棒状電極の長手方向の中間部分には給電点が設けられ、前記棒状電極には、前記棒状電極の前記長手方向の少なくとも一部分における周囲を誘電体が覆う、ことが好ましい。

前記筒状筐体の前記第１の端面と反対側の第２の端面には、ガスを排出する排出口が設けられ、前記誘電体は、前記誘電体と前記筒状筐体の側面との間に前記内部空間の一部が形成されるように設けられ、前記誘電体と前記筒状筐体との間の空間が、前記供給口から供給されたガスを前記排出口へ導くガス流路を形成する、ことが好ましい。

前記誘電体の比誘電率は１０以上であり、前記誘電体の誘電正接は５×１０^-4以下である、ことが好ましい。

また、前記棒状電極に一定周波数の高周波電力が断続的に繰り返し給電されることにより、プラズマが前記内部空間内で断続的に発生する、ことが好ましい。

前記電極側周上エッジ部分及び前記筐体側周上エッジ部分を電極として、前記供給口の周りを取り囲むようにプラズマが断続的に発生する、ことが好ましい。

上記プラズマ発生装置によれば、処理対象のガス成分を含むガスに対して電圧を与えて大気圧中でプラズマ発生させるとき、ガスを効率よく処理することができる。

本実施形態のプラズマ発生装置であるプラズマリアクターの概略構成図である。 図１に示すプラズマリアクターの断面図である。 本実施形態のプラズマリアクターに用いる電力供給ユニットの概略構成図である。 （ａ）は、図３に示す電力供給ユニットのＲＦ発振器が生成するＲＦ信号を示す図であり、（ｂ）は、バースト制御信号発生器が生成する矩形パルス信号を示す図であり、（ｃ）は、振幅変調器が出力する信号を示す図である。 図１に示すプラズマリアクターの共振状態を示す図である。 本実施形態のプラズマリアクターの電界プローブで計測される電界強度の変化の一例を模式的に示す図である。 本実施形態のプラズマリアクターで発生するプラズマの発生位置を示す図である。 バリア放電によりプラズマが発生するときの電界強度とプラズマのエネルギーの関係を模式的に説明する図である。 本実施形態のプラズマリアクターの変形例を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本実施形態におけるＮＯｘを含むガスの処理を種々の条件で行った結果を示す図である。 従来のプラズマリアクターの装置構成を示す図である。

以下、本発明のプラズマ発生装置を、本実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本実施形態のプラズマ発生装置であるプラズマリアクターの概略構成図である。プラズマリアクターは、窒素酸化ガス（ＮＯｘ）をプラズマリアクター内に供給し、プラズマリアクター内のガスの供給口近傍で断続的にプラズマを生成し、このプラズマを用いてＮＯｘを処理し、排出する。
具体的には、プラズマ発生装置は、棒状電極１００と、筐体１１０と、電力供給ユニット１４０と、を主に備える。

棒状電極１００は、断面が円形状である長尺状の棒形状の電極である。棒状電極１００は、筐体１１０の一方向に長い内部空間内に、筐体１１０の内部空間の内壁面と離間するように、この内部空間の長手方向（図１中のＸ方向））に沿って設けられる。棒状電極１００は、高周波信号の電力の給電を受け、棒状電極１００内での共振が発生することにより高電圧を発生させる。本実施形態の棒状電極１００は、銅で形成されるが、銀、アルミニウムなども好適に用いられる。

棒状電極１００の長手方向の中間部分には、高周波信号の給電点１０２が設けられている。給電点１０２には、給電線１１８から高周波信号が電力として印加される。棒状電極１００の長手方向の長さを２ｌとすると、棒状電極１００の長手方向の中心位置からわずかにずれた位置に給電点１０２は位置する。棒状電極１００の長手方向の中心位置から給電点１０２が設けられる位置までの距離をｘ_０とすると、ｘ_０は下記式（１）で表される関係式を満たす。

ここで、Ｚ_００は給電点１０２に給電する給電線の特性インピーダンスであり、Ｚ_Ｃは棒状電極１００を伝送線路としたときの特性インピーダンスである。また、プラズマ発生装置におけるプラズマ発生時の等価キャパシタンスＣのエネルギー損失を示す係数をχとすると、Ｑ＝１／χである。

給電点１０２が、棒状電極１００の長手方向の中心位置からわずかにずれた位置に設けられるのは、プラズマリアクターへ給電する時のインピーダンス整合を取るためである。交流ダイポールアンテナと同様、棒状電極１００中を伝送する電磁波の波長λの半分の長さが棒状電極１００の長さ２ｌとなるとき、棒状電極１００には最低次モードの共振が生じ、効率よく高電圧が生成される。そのため、棒状電極１００の長さ２ｌは、プラズマリアクターにおいて共振周波数を定める重要な要素となる。なお、棒状電極１００は後述するように、棒状電極１００の周囲に誘電体１０５を設けているので、誘電体１０５の誘電率に応じて電磁波の波長λは変化しており、誘電体１０５がない場合の波長と異なっている。
本実施形態では、１００ＭＨｚ〜１０ＧＨｚの周波数帯域における所定の周波数において高電圧を発生するように、棒状電極１００の長さ２ｌは誘電体１０５の誘電率に応じて設定されている。
棒状電極１００の一方の端部（図１では左端部）には、内部空間を挟んで筐体１１０の一方の端面（図１では左端部の端面）に対向して、棒状電極１００の端部を保護するように電極側誘電体バリア層１０４が設けられている。電極側誘電体バリア層１０４は、例えば酸化アルミニウム等の誘電体が用いられる。

棒状電極１００の長手方向に沿って、棒状電極１００の周囲に誘電体１０５が設けられている。誘電体１０５は、誘電体１０５と筐体１１０の側面の間に内部空間の一部が形成されるように設けられた中実円筒形状を成し、図２に示すように、誘電体１０５と筐体１１０との間の空間は、後述する供給口１１４から供給されたガスを後述する排出口１１６へ導くガス流路１０６として形成される。誘電体１０５の比誘電率は１０以上であることが好ましい。また、誘電体１０５の誘電正接は５×１０^-4以下であることが好ましい。このような誘電体１０５として、例えば酸化アルミニウムあるいは酸化チタニウムの焼結体が好適に用いられる。
なお、給電点１０２では、接続端子１２０を介して電力供給ユニット１４０と接続された給電線１１８が誘電体１０５にあけられた孔を通して電力が給電される。

筐体１１０は、一方向に長い内部空間を有し、内部空間の長手方向（Ｘ方向）に沿って棒状電極１００が設けられた金属製の円筒状の筐体であり、アースされて電位が０に維持されている。筐体１１０は、例えばアルミニウムで形成されるが、銀、銅等の金属で形成されてもよい。棒状電極１００において電極側誘電体バリア層１０４が設けられた端部に対向する筐体１１０の一方の端面（図１中の左端部の端面）にはＮＯｘを含む処理対象のガスを供給する供給口１１４が設けられる。供給口１１４の設けられた端面には、供給口１１４の周りを覆うように筐体側誘電体バリア層１１５が設けられている。
供給口１１４は、ＮＯｘを含む処理対象のガスを供給する供給管１３０に接続されている。例えば、供給管１３０は、ディーゼルエンジン等の排気口と接続されている。

供給口１１４には、従来の高電圧プラズマ発生装置のように棒状電極の対向電極となる網状電極が設けられていない。その代わり、筐体側誘電体バリア層１１５が供給口１１４の周囲を囲むように壁面に設けられている。
供給口１１４の周りを囲むように筐体側誘電体バリア層１１５を筐体１１０の端面に設け、筐体側誘電体バリア層１１５を設けた端面に対向するように棒状電極１００に電極側誘電体バリア層１０４を設けるのは、供給口１１４の筐体側周上エッジ部分と棒状電極１００の電極側周上エッジ部分との間の空間で誘電体バリア放電を発生させてプラズマを安定的に発生させるためである。
このため、電極側誘電体バリア層１０４の設けられた棒状電極１００の端部における電極側周上エッジ部分を、供給口１１４が設けられた筐体１１０の端面上に長手方向（図１中のＸ方向）に平行に投影したとき、棒状電極１００の上記電極側周上エッジ部分は筐体側誘電体バリア層１１５上あるいは供給口１１４の領域上に投影される。すなわち、棒状電極１００の上記電極側周上エッジ部分は、筐体１１０における供給口１１４の周囲を囲む筐体側誘電体バリア層１１５あるいは供給口１１４の領域と、Ｘ方向（長手方向）において対向する。

なお、筐体側周上エッジ部分とは、供給口１１４が筐体１１０の端面と供給口１１４に繋がる孔の壁面によって形成される角をいう。同様に、電極側周上エッジ部分とは、棒状電極１００の端部の面と棒状部分の側面とによって作られる角をいう。

また、供給口１１４の筐体側周上エッジ部分を棒状電極１００に対する接地した対向電極とし、棒状電極１００の電極側周上エッジ部分から供給口１１４の筐体側周上エッジ部分に至る最短距離は、電極側周上エッジ部分の各位置において同じであることが、バリア放電によってプラズマを安定的に発生させる点で好ましい。このときのプラズマは供給口１１４の周りを取り囲むように円筒状に発生する。
なお、供給口１１４の筐体側周上エッジ部分及び棒状電極１００の電極側周上エッジ部分はいずれも円弧形状を成し、円弧形状の中心位置がいずれも図１中のＸ方向に沿った同じ直線上に位置することが、バリア放電によって円筒状のプラズマを供給口１１４の周りを取り囲むように発生させる点で好ましい。筐体側周上エッジ部分及び電極側周上エッジ部分が鋭角な屈曲部を有する場合、この屈曲部の周りにプラズマが集中して発生し、円筒状のプラズマを発生することが難しくなる。

筒状筐体１１０における、電極側誘電体バリア層１０４が設けられている端面と反対側の端面には、供給されたガスを排出する排出口１１６が設けられる。排出口１１６には、ガスを排出する排出管１３２が接続されている。排出管１３２には不図示のブロワーが接続されており、筐体１１０の内部のガスは大気中に排出される。

電力供給ユニット１４０は、棒状電極１００の共振周波数と同じ周波数の交流信号を間欠的（断続的に）に給電点１０２に給電する。電力供給ユニット１４０が給電する信号の概略の周波数の範囲は、棒状電極１００中を伝送する伝送信号の波長λの半分の長さが棒状電極１００の長さ２ｌとなり、最低次モードの共振が生じるように定められている。

図３は、電力供給ユニット１４０の概略構成を説明する図である。図３に示されるように、電力供給ユニット１４０は、ＲＦ発振器１４２と、可変アッテネータ１４３と、バースト制御信号発生器１４４と、振幅変調器１４６と、増幅器１４８と、を備える。
ＲＦ発振器１４２は、１００ＭＨｚ〜１０ＧＨｚの周波数の連続波（Continuous Wave）を発振し、ＲＦ信号を生成する。以下の説明では、ＲＦ発振器１４２が発振する周波数をｆ_１［Ｈｚ］とする。ＲＦ発振器１４２が発振する周波数ｆ_１は、電界プローブ１２２の計測結果に基づいて調整される。ＲＦ発振器１４２により生成されたＲＦ信号は、可変アッテネータ１４３を介して振幅変調器１４６へ出力される。
なお、電力供給ユニット１４０は、接続端子１２０で反射された信号の強度に基づいて、共振周波数に対応する周波数の信号を給電することもできる。
可変アッテネータ１４３は、ＲＦ発振器１４２の信号のレベルを可変に調整する。

バースト制御信号発生器１４４は、矩形パルス信号を所定の周波数で生成する。以下の説明では、バースト制御信号発生器１４４が生成する矩形パルス信号のパルス幅をＷ［秒］、矩形パルス信号を生成する周波数をｆ_２［Ｈｚ］とする。ここで、１／ｆ_１＜Ｗ＜１／ｆ_２である。バースト制御信号発生器１４４が生成する矩形パルス信号のパルス幅Ｗは、棒状電極１００の共振周波数と同じ周波数の高周波信号を給電点１０２に給電した場合に、給電により増大する棒状電極１００の電圧が絶縁電圧を超えてバリア放電によりプラズマが発生するまでの期間よりも長くなるように設定される。
一般に、パルス幅Ｗが長すぎると熱プラズマが発生することがある。熱プラズマが発生すると、棒状電極１００に熱が発生し、これに起因してＮＯやＮＯ_２が発生することがある。そのため、パルス幅Ｗは、熱プラズマが発生しない程度の長さとすることが好ましい。
バースト制御信号発生器１４４により生成された矩形パルス信号は、振幅変調器１４６へ出力される。

振幅変調器１４６は、ＲＦ発振器１４２により生成されたＲＦ信号の入力を受ける。また、振幅変調器１４６は、バースト制御信号発振器１４４により生成された矩形パルス信号の入力を受ける。振幅変調器１４６は、矩形パルス信号の入力を受けているＷ［ｓ］の期間だけ、ＲＦ発振器１４２が生成したＲＦ信号を出力する。すなわち、振幅変調器１４６は、１／ｆ_２［ｓ］周期でＷ［ｓ］の間、周波数ｆ_１［Ｈｚ］の交流信号を間欠的に繰り返し出力する。
増幅器１４８は、振幅変調器１４６から出力された信号を増幅する。増幅器１４８により増幅された信号は、接続端子１２０へ出力される。

図４は、電力供給ユニット１４０で生成される信号の一例を説明する図である。図４（ａ）は、ＲＦ発振器１４２が生成するＲＦ信号の一例を示す図である。図４（ｂ）は、バースト制御信号発生器１４４が生成する矩形パルス信号の一例を示す図である。図４（ｃ）は、振幅変調器１４６が出力する信号の一例を示す図である。
本実施形態の電力供給ユニット１４０は、棒状電極１００が電磁波を放射する際の共振周波数と同じ周波数の交流信号を間欠的に、給電点１０２に繰り返し給電する。これにより、プラズマを断続的に発生させる。

図５は、給電点１０２に棒状電極１００の共振周波数と同じ周波数の高周波信号が給電された場合の共振状態について説明する図である。図５に示されるように、給電点１０２に共振周波数と同じ周波数の高周波信号が給電されると、棒状電極１００の両端で電圧が最大となる共振が発生する。棒状電極１００の両端には、数ｋＶの電圧Ｖ_ｏｕｔが生成される。
また、上述したように、給電点１０２は、棒状電極１００の中心位置に対して式（１）で示される距離ｘ_０だけずれている。給電点１０２における電圧Ｖ_ｉｎに対する棒状電極１００の両端の電圧Ｖ_ｏｕｔの比は、式（１）で定まるｘ_０／（２ｌ）を用いて、１／ｓｉｎ｛ｘ_０／（２ｌ）｝と表される。

図６は、電界プローブ１２２で計測される棒状電極１００の電界強度の変化を示す図である。図６に示す波形は、電力が供給されることで電界が上昇する状態Ａと、バリア放電が開始される状態Ｂと、図４（ｃ）に示すように、矩形パルス信号がＯＦＦとなって生成された電界が減衰する状態Ｃと、が示されている。状態Ｂにおいて、バリア放電が発生してプラズマが発生する。したがって、１／ｆ_２［ｓ］周期の電力の給電のたびにプラズマが間欠的に発生する。

図７は、プラズマＰの発生位置を示す図である。プラズマＰは、供給口１１４の筐体側エッジ部分と、棒状電極１００の電極側エッジ部分との間の空間において、供給口１１４の周りを取り囲むように円筒状のプラズマが発生する。しかも、お互いのエッジ部分に設けられた筐体側誘電体バリア１１５と電極側誘電体バリア層１０４との間でバリア放電とプラズマの発生が行われるので、安定したプラズマの発生が実現される。特に、円筒状のプラズマが発生するので、供給口１１４を通過したＮＯx等のガスがガス流路１０６に流れ込む前に発生したプラズマを必ず横切るので、ガスの処理が確実に行われる。したがって、プラズマを用いたガスの処理効率は向上する。

図８は、バリア放電によりプラズマが発生するときの電界強度とプラズマのエネルギーとの関係を模式的に説明する図である。図８に示すように、誘電体１０５を棒状電極１００の周囲に設ける場合（電界曲線Ｄ）、誘電体が棒状電極１００の周りに設けられない場合（電界曲線Ｅ）に比べて、誘電体１０５があるためバリア放電の限界に達するまでの時間は長いが、電界曲線Ｄの場合に発生するプラズマのエネルギーＤ’は、電界曲線Ｅの場合に発生するプラズマのエネルギーＥ’に比べて大きい。このため、本実施形態のプラズマリアクターは、１回のプラズマの発生によって大きなエネルギーを発生することができる。したがって、本実施形態のプラズマリアクターは、ＮＯx等のガスを効率よく処理することができる。

棒状電極１００に誘電体１０５を設けた場合、一定期間に蓄積される電磁波のエネルギー密度の時間平均値は下記式（２）で表される。このエネルギー密度の平均値を高くするには、比誘電率ε_rを大きくすることが好ましい。これより、本実施形態では、比誘電率は１０以上であることが好ましい。

エネルギー密度の平均値 ＝ １／２・（ε_r・ε₀）・Ｅ₀ ² （２）
（Ｅ₀は、バリア放電における電界の下限値）

また、誘電体１０５内における電磁波の電場がｙ方向（図１中のｘ方向に直交する方向）の成分だけを持つとした場合、電場のｙ成分であるＥyは下記式（３）で表され、この電場から電磁波のエネルギー密度は下記（４）式で表される。
Ｅy ＝ Ｅ0 ｅ^{ｉ（ωｔ−ｋx）} （３）
（ω＝２πｆ₁，ｋは波数ベクトル、xは位置ベクトル。）
電磁波のエネルギー密度の平均値 ∝ ｅ^-2ωnjz/c （４）
（ｎ_jはε_r ^1/2（ε_rは複素比誘電率）の虚数部であり、ｃは光速。）
したがって、電磁波のエネルギー密度の平均値を上げるには、ｎ_jを小さくすること、より具体的には、誘電体１０５の誘電正接（＝ｔａｎδ＝ε‘’／ε’：ε’及びε‘’は誘電体１０５の複素誘電率の実数部及び虚数部。）を小さくすることが好ましい。これより、誘電体１０５の誘電正接は５×１０^-4以下であることが好ましい。

このような筐体１１０にＮＯxを含むガスを流しつつ、棒状電極１００の給電点に図４（ｃ）に示すような高周波信号の電力が断続的に供給される。１回の高周波信号の給電により、棒状導体１００は、共振を起こして棒状電極１００の電極側周上エッジ部分と、筐体側周上エッジ部分との間でバリア放電を起こし、これにより、供給口１１４の周囲を取り巻くように円筒状のプラズマが発生する。このとき、ガス流を常時供給することによりプラズマを安定して発生させることができる。ここで安定するとは、円筒状のプラズマが高周波信号の給電を繰り返す毎に確実に発生することをいう。
棒状電極１００には、誘電体１０５が設けられるので、図８に示すようにバリア放電に電界が達するまでの時間は長いが、この放電によって生成されるプラズマのエネルギーは高い。このため、円筒状のプラズマが高周波信号の給電を繰り返すたびに確実に発生する。
プラズマにより処理されたガスは、ガス流路１０６を通過して排出口１１６から排出される。処理されたガスは、プラズマに処理されることにより、有害なＮＯはＮＯ₂あるいはＮ₂に処理されてＮＯを殆ど含まない。

本実施形態では、図１に示すように誘電体１０５を棒状電極１００の長手方向に沿った全ての部分に設けたが、誘電体１０５を必ずしも棒状電極１００全体を覆う必要はない。例えば、図９に示すように棒状電極１００の長手方向の一部分の周囲を誘電体１０５が覆ってもよい。このような形態であっても、発生するプラズマのエネルギーを従来に比べて高めることができ、安定した円筒状のプラズマを発生することができる。

図１０（ａ）〜（ｃ）は、図９に示すような誘電体１０５の配置を行った形態でＮＯxを含むガスの処理を種々の条件で行った結果を示す図である。
棒状電極１００の直径を１２ｍｍとし、誘電体１０５の外径を４０ｍｍとし、棒状電極１００のＸ方向の長さを２７０ｍｍとした。筐体１１０の供給口１１４の直径は４ｍｍとした。誘電体１０５は、酸化アルミニウムを用いた（比誘電率略１０、誘電正接４×１０^-4）。電極側誘電体バリア層１０４及び筐体側誘電体バリア層１１５は、それぞれ厚さ３ｍｍ，１ｍｍの酸化アルミニウムの焼結体を用いた。また、電極側誘電体バリア層１０４が設けられる棒状電極１００の端部から供給口１１４が設けられる位置までのＸ方向の距離を０．５ｍｍとした。また、ＲＦ発振器１４２の発振周波数ｆ_１を４００ＭＨｚとし、Ｗを１μ秒として、高周波電力の給電の周波数を種々変化させた。

一方、処理するガスとして、ＮＯ（略２３０ｐｐｍ），Ｎ₂（９０％），Ｏ₂（約１０％）を含んだガスを毎分５〜２０リットル流したときに排出されたガス中のＮＯガスの濃度を測定した。ガスの流量は、図１０（ａ）、（ｂ），（ｃ）から順に、毎分５リットル、１５リットル、２０リットルである。図１０（ａ）〜（ｃ）は、横軸に高周波信号を間欠的に給電する繰り返し周波数ｆ₂をとり、縦軸に処理後のガス中のＮＯ濃度をとったグラフ図である。比較のために、誘電体１０５が設けられない従来のプラズマリアクターについての測定結果も示している。

図１０（ａ）〜（ｃ）に示すように、誘電体１０５を設けることにより、誘電体１０５が設けられない従来のプラズマリアクターの場合に比べて同じ繰り返し周波数においてＮＯ濃度が低く、ＮＯ濃度を略０にする繰り返し周波数を低くすることができる。
これより、誘電体１０５を設けることにより、プラズマを用いたガスの処理を効率よく行うことができることがわかる。

本実施形態は、誘電体１０５の外面と筐体１１０の側面の間に空間を設け、この空間に流路１０６を形成したが、誘電体１０５を筐体１１０の側面まで一杯に充填し流路１０６を形成しなくてもよい。この場合、円筒状のプラズマを発生するＸ方向の位置の、筐体１１０の側面に排出口を設けるとよい。筐体１１０の側面と接触するように誘電体１０５を充填することで、発生するプラズマのエネルギーをより大きくすることができる。
また、本実施形態では、棒状電極１００は断面が一様に円形であるが、供給口１１４と対向する側の端部近傍において断面は円形であり、それ以外の部分の断面は矩形、多角形あるいは楕円等であってもよい。

以上、本発明のプラズマ発生装置について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

１００ 棒状電極
１０２ 給電点
１０４ 電極側誘電体バリア層
１０５ 誘電体
１０６ ガス流路
１１０ 筐体
１１４ 供給口
１１６ 排出口
１１８ 給電線
１２０ 接続端子
１２２ 電界プローブ
１３０ 供給管
１３２ 排出管
１４０ 電力供給ユニット
１４２ ＲＦ発振器
１４３ 可変アッテネータ
１４４ バースト制御信号発生器
１４６ 振幅変調器
１４８ 増幅器

Claims (8)

1. 処理対象のガス成分を含むガスに対して電圧を与えて大気圧中でプラズマ発生させるプラズマ発生装置であって、
   プラズマ発生のために電力が給電される棒状電極と、
   一方向に長い内部空間を備え、前記棒状電極が前記内部空間内に前記内部空間の長手方向に沿って設けられる金属製の筒状筐体と、
   前記棒状電極の第１の端部に、前記第１の端部を保護するように設けられる電極側誘電体バリア層と、
   前記電極側誘電体バリア層と対向する前記筒状筐体における第１の端面に設けられる前記ガスを供給する供給口と、
   前記第１の端面に前記供給口の周りを囲むように設けられる筐体側誘電体バリア層と、を有し、
   前記棒状電極の前記第１の端部の断面形状における電極側周上エッジ部分を、前記筒状筐体の前記第１の端面上に前記長手方向に平行に投影したとき、前記電極側周上エッジ部分は前記筐体側誘電体バリア層上あるいは前記供給口上の領域に投影される、ことを特徴とするプラズマ発生装置。
2. 前記供給口の筐体側周上エッジ部分を前記棒状電極に対する対向電極としてプラズマが発生し、前記電極側周上エッジ部分から前記筐体側周上エッジ部分に至る最短距離が、前記電極側周上エッジ部分の各位置において同じである、請求項１に記載のプラズマ発生装置。
3. 前記筐体側周上エッジ部分及び前記電極側周上エッジ部分はいずれも円弧形状を成し、前記円弧形状の中心位置がいずれも前記長手方向に平行な同一の直線上に位置する、請求項１または２に記載のプラズマ発生装置。
4. 前記棒状電極の長手方向の中間部分には給電点が設けられ、
   前記棒状電極には、前記棒状電極の前記長手方向の少なくとも一部分における周囲を誘電体が覆う、請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
5. 前記筒状筐体の前記第１の端面と反対側の第２の端面には、ガスを排出する排出口が設けられ、
   前記誘電体は、前記誘電体と前記筒状筐体の側面との間に前記内部空間の一部が形成されるように設けられ、前記誘電体と前記筒状筐体との間の空間が、前記供給口から供給されたガスを前記排出口へ導くガス流路を形成する、請求項４に記載のプラズマ発生装置。
6. 前記誘電体の比誘電率は１０以上であり、前記誘電体の誘電正接は５×１０^-4以下である、請求項４または５に記載のプラズマ発生装置。
7. 前記棒状電極に一定周波数の高周波電力が断続的に繰り返し給電されることにより、プラズマが前記内部空間内で断続的に発生する、請求項１〜６のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
8. 前記電極側周上エッジ部分及び前記筐体側周上エッジ部分を電極として、前記供給口の周りを取り囲むようにプラズマが断続的に発生する、請求項１〜７のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
   
   

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