JP2018160354A - 大気圧プラズマ発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電極間の印加電圧を大きくすることなく、確実にプラズマが発生し、かつプラズマ発生の始動性を向上させた小型の大気圧プラズマ発生装置を得ること。【解決手段】放電用ガスが流入し流出する放電管（１０、２０）と、放電管を介在させて対向配置された一対の電極（１３ａと１５、１３ａ’と１５、２３と２３、または２３’と２３’’）とを備え、上記放電用ガスが上記放電管の内部を流動する大気圧プラズマ発生装置において、上記一対の電極間の電界強度が上記放電管の周方向に沿って不均一であるプラズマ発生装置。【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマを発生させる大気圧プラズマ発生装置に関する。

従来のプラズマ発生装置では、一対の電極の一方の電極を放電管の外表面に備え、他方の電極を放電管内に配置している。この放電管の放電空間に放電用ガスを流入し、一対の電極間に電圧を印加させることによって、プラズマを生じさせている（特許文献１）。

特開２００７−２０７４７５号公報

このような外部から流入された放電用ガスが放電空間を流動し、外部（大気）に流出する装置では、絶縁破壊に必要な電圧、すなわちプラズマ発生開始電圧（放電開始電圧）が高くなってしまうため、このような装置でプラズマを発生させるためには、非常に大きな電圧を印加する必要があった。さらに、このような装置では、放電空間内の放電用ガスの状態（例えば圧力、濃度、流速）が不均一になりやすく、プラズマ発生開始電圧が不安定となり、プラズマの発生そのものが不安定になるおそれがあった。これにより、確実にプラズマを発生させるために電極間に印加する電圧を高くする必要があり、プラズマ発生の始動性が悪く、かつ高い電圧を電極間に印加することにより電源装置が大型化するという問題があった。

本発明は、従来の大気圧プラズマ発生装置についての以上の問題意識に基づき、電極間の印加電圧を大きくすることなく、確実にプラズマを発生でき、かつプラズマ発生の始動性を向上させた小型の大気圧プラズマ発生装置を得ることを目的とする。

本発明は、放電空間内に電界強度が高い部分と低い部分を発生させる（放電管の周方向に沿って不均一である）と、電界強度が高い部分では、低い電圧でも放電（プラズマ）を生じさせることができるため、確実にプラズマを生じさせることができるという着眼に基づきなされたものである。

本発明の大気圧プラズマ発生装置は、放電用ガスが流入し流出する放電管と、上記放電管を介在させて対向配置された一対の電極とを備え、上記放電用ガスが上記放電管の内部を流動する大気圧プラズマ発生装置において、上記一対の電極間の電界強度が上記放電管の周方向に沿って不均一であることを特徴とする。

上記一対の電極間の距離または誘電体の厚さを、上記放電管の周方向または径方向に沿って不均一とすることにより、上記放電管内に電界強度が局所的に高い領域を形成してもよい。

上記一対の電極の少なくとも一方の電極は、上記放電管の内側に配設された内側電極であって、上記内側電極の幅が上記放電管の周方向に沿って不均一であってもよい。すなわち、上記内側電極は断面が真円である円柱状でなくてもよい。

上記内側電極は、上記放電管の軸方向に沿って配設された帯状電極であって、上記帯状電極の幅方向の（長手方向に沿った）両縁部の少なくとも一方の厚さが、上記帯状電極の中央部の厚さよりも薄くてもよい。

本発明の大気圧プラズマ発生装置は、上記内側電極を埋設する内側管を有し、該内側管は、上記内側電極の最大幅方向の厚さが最も薄くてもよい。

上記一対の電極の一方の電極は、上記放電管の内側に配設された内側電極であって、上記放電管の内側に配設された内側管により埋設されており、上記内側管の上記放電管の径方向の厚さは、上記放電管の周方向に沿って不均一であってもよい。

上記内側管は、上記放電管と一体として加熱成形するのが実際的である。

上記一対の電極の少なくとも一方は、上記放電管の管壁に沿う帯状電極であって、上記放電管の管壁内に埋設してもよい。

上記帯状電極は、上記放電管を構成する小径管と大径管との間での加熱溶着により埋設してもよい。

上記帯状電極は、上記帯状電極の幅方向の（長手方向に沿った）両縁部が、ナイフエッジ形状であってもよい。

本発明の大気圧プラズマ発生装置は、一対の電極間の電界強度を放電管周方向に沿って不均一とし、電界強度が局所的に高い部分を放電管内に生じさせることで、低い電圧でも放電（プラズマ）を発生させることができる。これにより、確実にプラズマを発生させることができ、かつプラズマ発生の始動性が良い小型の装置を得ることができる。

本発明による大気圧プラズマ発生装置の第１の実施形態を示す縦断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。 本発明の第１の実施形態の変形例を示す、図２に対応する断面図である。 本発明の第１の実施形態のさらに別の変形例を示す、図２に対応する断面図である。 本発明による大気圧プラズマ発生装置の第２の実施形態を示す縦断面図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図である。 本発明の第２の実施形態の変形例を示す、図６に対応する断面図である。

以下図面について本発明に係る大気圧プラズマ発生装置１００の実施形態を説明する。図１及び図２は本発明による大気圧プラズマ発生装置の第１の実施形態を示している。図１、図２に示すように、本大気圧プラズマ発生装置１００は、放電容器として放電管１０を備えている。この放電管１０は、誘電体（例えば石英）からなるものであり、図示例では断面が真円である円筒状に形成されている。放電管１０の一端には、放電管内に放電用ガスを流入する流入口１１を備え、他端には放電管内から外部（大気）に放電用ガスを流出する流出口（大気開放口）１２を備える。流入口１１は、放電管１０の管壁１０ａに穿設したものであって、放電管１０の径方向に延びる接続管１１ａと連通している。管壁１０ａの一端部は、管壁１０ａと一体の端部壁１０ｂによって塞がれている。なお、同様の構成により流入口と流出口を入れ替えて、放電用ガスを放電管内で逆に流動させてもよい（図中の矢印の向きが逆になる）。

一方、放電管１０の内部には、放電管１０の軸心に沿って一対の電極の一方の電極となる内側電極１３ａと該内側電極１３ａを埋設した（被覆した）内側管（内側誘電体）１３ｂとが配設されている。内側電極１３ａを埋設した内側管１３ｂは誘電体（例えば石英）から構成されるものであり、管状の誘電体内に内側電極１３ａを挿入した状態で、溶融軟化（加熱溶着）させることで形成される。また、内側管１３ｂは、放電管１０の流入口１１側の端部壁１０ｂにおいて、加熱溶着（加熱成形）によって放電管１０と一体となり、放電管（放電容器）１０の一部を構成している。この内側管１３ｂと放電管１０（管壁１０ａ）の間の筒状空間が放電空間（プラズマ発生空間）１４を構成する。

内側電極１３ａは、図示実施形態では、図２に示すように、長手方向（放電管１０の軸方向、放電管内の放電用ガスの流れ方向）に一様断面の帯状（箔状、板状）に形成された帯状電極であり、その幅方向の中央部１３ａ１の厚さは両縁部１３ａ２の厚さより厚く、かつ両縁部１３ａ２（幅方向に沿った両端部）に向けて先鋭化し、その厚さは中央部１３ａ１に比べて薄くなり、両縁部１３ａ２は先細く尖ったナイフエッジ形状をなしている。内側電極１３ａを埋設した内側管１３ｂの放電管１０の径方向の厚さは周方向に沿って不均一であり、埋設された内側電極１３ａの幅方向（幅方向に沿って両縁部１３ａ２を延長した方向）の外側の厚さｄが最も薄くなっている。

一方、放電管１０（管壁１０ａ）の外周面には、一対の電極の他方の電極となる外側電極１５が配設されている。外側電極１５は、図示実施形態では、金属膜状（箔状）電極として描いているが、螺旋状に巻回された金属線材であってもよい。外側電極１５と内側電極１３ａが対向する軸方向長さは放電空間１４に対応している。

以上の内側電極１３ａと外側電極１５は、内側管１３ｂ、放電空間１４及び放電管１０の管壁１０ａを介して対向する一対の電極であり、図示しない電源部に電気的に接続されている。また内側電極１３ａは高圧側電極であり、外側電極１５は接地側電極であるが、この逆であってもよい。

上記構成の本大気圧プラズマ発生装置１００を用いて放電（プラズマ）を発生させるには、放電管１０の流入口１１から放電管１０内に放電用ガス等（以下、単に放電用ガス）を流入させ、放電空間１４内を流動させた後、流出口１２から大気である外部へ排出する。放電用ガスは、例えば、周知の希ガスや、希ガスとその他のガスとの混合ガスである。

このように、放電管１０の放電空間１４内へ放電用ガスを供給した（流入させた）状態にし、電源部によって内側電極１３ａと外側電極１５との間に放電開始（絶縁破壊）に必要な高電圧を印加すると、放電管１０の放電空間１４内において、内側電極１３ａと外側電極１５との間で電界強度が高い両縁部１３ａ２付近からの絶縁破壊が起点になって、放電空間１４内の全体でプラズマ（放電）が発生する。このように両縁部１３ａ２付近の電界強度が高いことを以下に説明する。内側電極１３ａの厚さは幅方向の中央部１３ａ１から両縁部１３ａ２に向かって薄くなり、両縁部１３ａ２が尖ったナイフエッジ形状をなしているので、例えば円柱状の電極と比較して、電界集中が生じやすい。その結果、内側電極１３ａの幅方向に沿った放電空間１４（両縁部１３ａ２と外側電極１５との間で放電距離が最短となる領域）の電界強度が局所的に高くなる。

加えて、図示実施形態では、内側電極１３ａを覆う内側管１３ｂの厚さが周方向において不均一であり、内側電極１３ａの両縁部１３ａ２（ナイフエッジ形状の先端、内側電極１３ａの最大幅方向）において厚さが最小になっている。電界強度は、誘電体の厚さが薄い部分ほど高くなることが知られているから、放電空間１４において、内側電極１３ａの幅方向の２箇所の空間Ｘの少なくともいずれか一方において確実に放電（プラズマ）を発生させることができる。

別言すれば、一対の電極間の距離を放電管の周方向に沿って不均一とする観点で、内側電極１３ａの両縁部１３ａ２のどちらか一方を中央部の厚さよりも薄くする（ナイフエッジ形状とする）ことで、内側電極１３ａの幅を放電管の周方向に沿って不均一とするか、一対の電極間の誘電体の厚さを放電管の周方向に沿って不均一とする観点で、内側管１３ｂに厚さが薄くなる部分（薄肉部）を設けることで、内側管１３ｂの厚さ（外径）を放電管の周方向に沿って不均一とするかのいずれかによって、放電管内の電界強度を局所的に高くすることができ、放電管の周方向に沿って電界強度が不均一となる。これらの方法の少なくとも一つを適用することで、比較的低い放電開始電圧でもプラズマを生じさせることができるため、放電空間１４の放電用ガスの状態（例えば圧力、濃度、流速）が不均一になっても、放電開始電圧を増加させることなく確実にプラズマを発生させることができる。なお、内側管１３ｂの薄肉部を、ナイフエッジ形状とした両縁部１３ａ２の外側に設けることで、相乗効果によって、放電管内の電界強度を局所的により高くすることができ、より確実にプラズマを発生させることができる。

従って、以上の大気圧プラズマ発生装置１００によると、流入口１１から放電管１０内の放電空間１４に流入した（供給された）放電用ガスは、放電空間１４を軸方向に沿って流動する過程でプラズマとなる。

また、以上の第１の実施形態では、内側電極１３ａが内側管１３ｂ内に埋設されているために、放電の際に内側電極１３ａが損傷することが無い。また、帯状の内側電極１３ａの幅方向の両縁部１３ａ２はナイフエッジ形状であるため、内側管１３ｂとの間に隙間が生じない。これにより、隙間に入り込んだ酸素（大気）と内側電極１３ａとが反応（酸化）し、内側電極１３ａが劣化することを防止できる。

なお、図３は、第１の実施形態の変形例を示すもので、内側電極１３ａを内側管１３ｂ内に埋設すること無く、両端部１３ａ２をナイフエッジ形状にした内側電極１３ａのみを放電管１０内に配置している。この変形例によっても、内側電極の幅（帯状の内側電極の幅と厚さ）が放電管の周方向に沿って不均一であることで、一対の電極間の距離が放電管の周方向に沿って不均一となり、内側電極１３ａと外側電極１５との間の電界強度（放電空間１４内の電界強度）を、内側電極１３ａの幅方向の両縁部１３ａ２付近において局所的に高くすることができる。この変形例では、帯状の内側電極を用いているが、楕円（長円、多角形）状断面の内側電極を用いて、その幅を円周方向において不均一とすることで、一対の電極間の距離を放電管の周方向に沿って不均一として、放電管内の電界強度を局所的に高くすることができる。

また、図４は、第１の実施形態のさらに別の変形例を示すもので、内側電極１３ａ’を円形断面とし、内側管１３ｂ’を楕円（長円）状断面とすることで、誘電体の厚さが周方向において不均一になっている。この変形例においても、誘電体である内側管１３ｂ’の厚さが放電管１０の周方向に沿って不均一となって、放電空間１４において、内側管１３ｂ’の厚さが最も薄くなる部分に接する内側電極１３ａ’付近の空間Ｘの電界強度を局所的に高くすることができる。内側電極１３ａ’が内側管１３ｂ’内に埋設されているために、内側電極１３ａ’が損傷することがない。

図５及び図６は、本発明による大気圧プラズマ発生装置の第２の実施形態を示している。この第２の実施形態は、第１の実施形態に比して、一対の電極の配置態様と、放電用ガスの流入口の配置形態が異なっている。放電管２０は、誘電体（例えば石英）からなる筒状の管壁２０ａと、放電管２０の一方の端部を塞ぐ端部壁２０ｂと、この端部壁２０ｂの略中央に管壁２０ａと同軸に形成された放電ガス等の流入口２１と、放電管２０の他方の端部に管壁２０ａと同軸に形成された流出口２２とを備えている。端部壁２０ｂの外面には、流入口２１に連通する接続管２１ａが一体に形成され、放電管２０の一部を構成している。

この実施形態では、一対の電極２３は、図６に示すように、放電管１０の軸方向に沿って一様断面の帯状（板状）に形成された帯状電極であり、管壁２０ａ及び放電空間２４を介して対向するように、放電管２０の管壁２０ａ内に埋設されている。一対の電極２３は、放電管２０の中心軸を通る対称軸を中心に対称形状をなすものであって、放電管２０の管壁２０ａの曲率に対応する曲率で曲げられており、かつ、周方向に沿って、中央部２３１の厚さが最も厚く、両縁部２３２に向けて徐々に厚さを減じて薄くなるナイフエッジ形状をなしている。この一対の電極２３はそれぞれ長手方向の一端に接続される給電部材２３ａによって、電源装置と電気的に接続される。

一対の電極２３を放電管２０の管壁２０ａ内に加熱成形により埋設する方法としては、小径管（石英管）と大径管（石英管）との間に一対の電極２３を挿入した状態において、小径管と大径管の間の空気を吸引し、小径管と大径管を加熱溶着させて一体とさせる製造方法を適用できる。

以上の大気圧プラズマ発生装置１００は、放電管２０の一対の電極２３の両縁部２３２が尖ったナイフエッジ形状をなしており、放電空間２４と放電管２０の筒状壁面（誘電体）を挟んで対向している。このため、放電管２０の径方向断面において、一対の電極２３間の距離や誘電体の厚さが、一対の電極２３の対称軸（放電管の径方向）に沿って不均一になるので、放電空間２４内の電界強度は、一対の電極２３の両縁部２３２付近において局所的に高くなって、放電管２０の周方向に沿って不均一となる。

従って、第１の実施形態と同様に、電源部によって一対の電極２３の間に放電開始（絶縁破壊）に必要な高電圧を印加すると、放電管２０内の両縁部２３２付近における絶縁破壊を起点として、放電空間２４全体でプラズマ（放電）が発生することになる。

本実施形態では帯状の電極２３が放電管２０の管壁２０ａ内部に埋設され、管壁２０ａの外表面に露出していない。そのため、放電管２０の管壁２０ａの外表面で沿面放電が生じることがないので、沿面放電によって放電空間２４でのプラズマ発生が阻害されることがなく、かつ高電圧が印加される電極２３が放電管２０の外表面に露出しない安全なプラズマ発生装置を提供できる。

図７は、第２の実施形態の変形例を示している。この変形例は、第２の実施形態の一対の電極のうち、電極２３’’を放電管２０の管壁２０ａ内に埋設し、電極２３’を管壁２０ａの外表面に沿わせて配設したものである。この変形例の一対の電極２３’、２３’’は、対称軸を中心に対称形状をなすものであって、周方向に沿って、中央部２３１’、２３１’’の厚さが最も厚く、周方向の両縁部２３２’、２３２’’に向けて徐々に厚さを減じて薄くなるナイフエッジ形状をなしている。したがってこの変形例においても、放電管２０の径方向断面において、一対の電極２３’、２３’’間の距離や誘電体の厚さが、一対の電極２３’、２３’’の対称軸（放電管２０の径方向）に沿って不均一になるので、一対の電極２３’、２３’’の間の電界強度は、両縁部２３２’と２３２’’付近において局所的に高くなり、放電管２０の周方向に沿って不均一となる。第１の実施形態と同様に、電源部によって一対の電極２３’、２３’’の間に放電開始（絶縁破壊）に必要な高電圧を印加すると、放電管２０内の両縁部２３２’と２３２’’付近における絶縁破壊を起点として、放電空間２４全域でプラズマ（放電）が発生する。

この変形例は、一方の電極２３’’が放電管２０の管壁２０ａ内部に埋設され、管壁２０ａの外表面に露出していないので管壁２０ａ外表面で沿面放電が生じることがないので、沿面放電によって放電空間２４でのプラズマ発生が阻害されることがなく、かつ高電圧が印加される電極２３’’が放電管２０の外表面に露出しない安全な大気圧プラズマ発生装置を提供できる。

１０ 放電管（放電容器）
１０ａ 管壁
１０ｂ 端部壁
１１ 流入口（放電用ガス流入部）
１１ａ 接続管
１２ 流出口
１３ａ、１３ａ’ 内側電極（一方の電極、帯状電極）
１３ａ１ 中央部
１３ａ２ 縁部（両縁部）
１３ｂ、１３ｂ’ 内側管
１４ 放電空間（プラズマ発生空間）
１５ 外側電極（他方の電極、帯状電極）
２０ 放電管（放電容器）
２０ａ 管壁
２０ｂ 端部壁
２１ 流入口
２２ 流出口
２３、２３’、２３’’ 電極（帯状電極）
２３１、２３１’、２３１’’ 中央部
２３２、２３２’、２３２’’ 縁部（両縁部）
１００ 大気圧プラズマ発生装置

Claims (10)

1. 放電用ガスが流入し流出する放電管と、上記放電管を介在させて対向配置された一対の電極とを備え、上記放電用ガスが上記放電管の内部を流動する大気圧プラズマ発生装置において、
   上記一対の電極間の電界強度が上記放電管の周方向に沿って不均一であること、
   を特徴とする大気圧プラズマ発生装置。
2. 請求項１記載の大気圧プラズマ発生装置において、上記一対の電極間の距離または誘電体の厚さを、上記放電管の周方向または径方向に沿って不均一とすることにより、上記放電管内に電界強度が局所的に高い領域を形成した大気圧プラズマ発生装置。
3. 請求項１または２に記載の大気圧プラズマ発生装置において、上記一対の電極の少なくとも一方の電極は、上記放電管の内側に配設された内側電極であって、上記内側電極の幅が上記放電管の周方向に沿って不均一である大気圧プラズマ発生装置。
4. 請求項３記載の大気圧プラズマ発生装置において、上記内側電極は、上記放電管の軸方向に沿って配設された帯状電極であって、上記帯状電極の幅方向の両縁部の少なくとも一方の厚さが、上記帯状電極の中央部の厚さよりも薄い大気圧プラズマ発生装置。
5. 請求項３または４に記載の大気圧プラズマ発生装置において、上記内側電極を埋設する内側管を有し、該内側管は、上記内側電極の最大幅方向の厚さが最も薄い大気圧プラズマ発生装置。
6. 請求項３記載の大気圧プラズマ発生装置において、上記一対の電極の一方の電極は、上記放電管の内側に配設された内側電極であって、上記放電管の内側に配設された内側管により埋設されており、上記内側管の上記放電管の径方向の厚さは、上記放電管の周方向に沿って不均一である大気圧プラズマ発生装置。
7. 請求項５または６に記載の大気圧プラズマ発生装置において、上記内側管は上記放電管と一体として加熱成形されている大気圧プラズマ発生装置。
8. 請求項１または２に記載の大気圧プラズマ発生装置において、上記一対の電極の少なくとも一方は、上記放電管の管壁に沿う帯状電極であって、上記放電管の管壁内に埋設されている大気圧プラズマ発生装置。
9. 請求項８記載の大気圧プラズマ発生装置において、上記帯状電極は、上記放電管を構成する小径管と大径管との間での加熱溶着により埋設されている大気圧プラズマ発生装置。
10. 請求項８または９に記載の大気圧プラズマ発生装置において、上記帯状電極の幅方向の両縁部が、ナイフエッジ形状である大気圧プラズマ発生装置。

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