JP2005270850A

JP2005270850A - プラズマ処理方法および装置

Info

Publication number: JP2005270850A
Application number: JP2004089541A
Authority: JP
Inventors: Koji Yamaguchi; 浩司山口; Toshimoto Nishiguchi; 敏司西口
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2004-03-25
Filing date: 2004-03-25
Publication date: 2005-10-06
Also published as: US20050212441A1; US7279845B2

Abstract

【課題】数〜数十ｋＨｚ程度の周波数で、処理効率と電力効率の両方を向上させた大気圧プラズマ処理装置および方法を提供する。
【解決手段】高周波正弦波と高周波方形波とが同周波数、同位相で重ね合わされた合成波形から生成される前記大気圧プラズマにより前記対象物質を前記処理する方法および装置を提供する。
【選択図】図３

Description

本発明は、大気圧プラズマを利用してガスに含まれる対象物質を処理するプラズマ処理方法および装置に関するものである。

近年、揮発性化合物などを含有するガスによる大気汚染、人体への影響が注目されている。そうした揮発性化合物などを含有するガスを分解処理する技術（具体的には無害化する技術）が数多く提案されている中で、プラズマ放電、特に非平衡プラズマ放電によりＶＯＣｓ等のガスを分解する技術が注目され、研究が進められており、当該技術に基づいた方法及び装置が提案されている。その中で、揮発性化合物などを含有するガスの分解に影響を及ぼす主な因子のひとつとして、印加電圧の波形等が上げられる。ここで、印加電圧の波形として、例えば、高周波正弦波交流電圧や高周波方形波交流電圧による波形、あるいは特許文献１に記載される商用周波数高電圧に高電圧パルスを重畳する印加電圧波形などが挙げられる。そしてこれらの波形が電極間に供給されていた。これらにより、電子は電極間内で電界方向に振動し、揮発性化合物などを含有するガスと電子とが衝突し、衝突電離によって分解処理されることになる。なおここでいう高周波とは数〜数十ｋＨｚ程度の周波数を意味し、商用周波数とは５０あるいは６０Ｈｚの周波数を指す。
特開２０００−３２５７３５号公報

しかしながら、高周波正弦波交流電圧を用いても十分な処理効率を得ることができない。また高周波方形波交流電圧を用いても発熱が生じるので高い電力効率が得られない。また商用周波数電源を用いると放電は直流電圧に似た機構で起こるため、放電開始電圧が高くなるため、多くの投入電力を要してしまう。

そこで本発明は高い処理効率と高い電量効率を達成できるガス処理方法および装置を提供することを目的とする。

よって本発明は、
対象物質を含有しているガスを大気圧プラズマにより処理するプラズマ処理方法において、高周波正弦波と高周波方形波とが同周波数、同位相で重ね合わされた合成波形から生成される前記大気圧プラズマにより前記対象物質を前記処理することを特徴とするプラズマ処理方法を提供する。

また本発明は、
一対の電極と前記一対の電極を収容するプラズマリアクタを有し、前記一対の電極に印加される高周波が生成する大気圧プラズマによりガスが含有する対象物質を処理するプラズマ処理装置において、高周波正弦波と高周波方形波から高周波合波を得る合波手段と、前記高周波合波を増幅する増幅手段とを有することを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。

本発明によれば、高周波正弦波と高周波方形波を同周波数、同位相で重ね合わせることで、数〜数十ｋＨｚ程度の周波数で方形波由来の急峻な立ち上り（立下り）部による分解効率の向上と正弦波由来のスロープ部による発熱防止即ち電力効率の向上とが達成でき、ガス中に含まれる揮発性有機化合物などの対象物質を効率よく処理することができる。

本発明者は、高周波正弦波交流電圧を単に用いただけでは処理効率が上がらない理由として、正弦波ゆえのなだらかな立ち上り（立下りも含むが以下立ち上りという文言で統一する）が原因であると気づいた。

急峻な立ち上りを求めるのであれば周波数が数百ｋＨｚあるいはそれ以上の波形を印加すればよいが、それでは本発明で定義する高周波、即ち数〜数十ｋＨｚ程度の周波数の波を利用することができない。

一方高周波方形波交流電圧を単に用いただけでは急峻な立ち上り部が方形波にはあるものの、立ち上り完了後放電の起こらない時間領域が発生してしまうため、消費電力には熱となって分解に寄与していない部分が生じ、電力効率を著しく低下させてしまう。これを解決するために更に高い前記のような周波数を用いてもそれでは本発明で定義する高周波、即ち数〜数十ｋＨｚ程度の周波数の波を利用することができない。

そして高周波正弦波交流電圧と高周波方形波交流電圧の両方をそれぞれ独立即ち異周波数あるいは異なる位相で電極間に印加してもそれはそれぞれの上記課題を解決することにはならない。

そこで本発明者は高周波正弦波交流電圧と高周波方形波交流電圧のそれぞれの利点を利用することを試み、高周波正弦波交流電圧と高周波方形波交流電圧を同周波数同位相で重ね合わせた波形を利用することが効果的であるという結論に至った。

即ち方形波的な急峻な電圧変化となだらかなスロープ部分をもった印加電圧波形を用いることで、極性が瞬時に反転しても放電が途切れることなく連続的に発生するようになり高効率の処理と高い電力効率の両方を達成できる。ここでいう処理とはガス中に含まれる対象物質の処理のことであり、対象物質とは例えば分解対象物質であり、より具体的にはＶＯＣｓ等の揮発性化合物のことである。即ち本発明は、例えば汚染物質を含むガスを清浄にすることに利用できたり、あるいはアンモニア、メタン等の有臭成分の脱臭や空気中の微生物やウイルスの除去に利用できたりする。

従って土壌中のガスを回収し汚染物質を分解する技術や、病院やホテルや映画館といった大勢の人が集まる空間やあるいは住居用室や自動車内といった空間における脱臭や衛生化を必要とする技術に本発明は適用することができる。

以下に、揮発性化合物を含有しているガスの処理を一例として挙げ、図を用いて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

本実施の形態に係るガス処理方法は、揮発性化合物を含有しているガスを大気圧プラズマにより処理するプラズマ処理方法であって、高電圧側電極−接地側電極の間に高周波（数〜数十ｋＨｚ程度の周波数）交流電圧に高周波方形波電圧の二つの電圧波形を同周波数、同位相で重ね合わせることを特徴としているガス処理方法に係る。二つの電圧波形を重ね合わせることにより、効率よく放電を発生させることができる。以下に本実施形態に係るガス処理方法を達成できるガス処理装置について図を用いて説明する。

図１は本実施の形態におけるガス処理装置の構成図である。符号１はプラズマリアクタ、２は増幅手段としての変圧器、そして３は合波手段としての発信器である。発信器３は波形を発信するものであり、ここで正弦波と方形波が合成される。合成された波形は変圧器２において増幅される。増幅は例えば１０００倍である。増幅された合成波はプラズマリアクタの不図示の電極間に印加される。図２は、図１のプラズマリアクタの内部構成をより詳細に示す模式図である。符号４は高電圧電源、５は粒状の誘電体、６は接地側電極、そして７は高電圧側電極である。符号４は図１に図示していないが、符号２および３との機能を兼ねそろえた高電圧電源である。

外部を接地側電極６とし、内部に高電圧側電極７を持ち、電極間に粒状例えば円柱型ペレット状あるいは球状の誘電体を充填した構成となっている。

本実施形態では接地側電極６は実質的な筒状で内部に配置された棒状の高電圧側電極７を囲む構成となっており高電圧側電極の長尺方向において両電極が対向した構成になっている。ここで、高電圧側電極７に高電圧電源４より高電圧を印加し、該電圧を放電開始電圧以上にすると、大気圧下で安定した均一なグロー放電を発生させ、そこに揮発性化合物を含有するガスを通過させると、これらが分解されることになる。グロー放電は両電極間特に誘電体と誘電体との微小間隙で発生する。ガスは高電圧側電極７の長尺方向に沿った方向にプラズマリアクタに入って出て行く。プラズマリアクタ内での被処理ガスの均一分散化を図るため、誘電体が配置されている空間の前後には複数の吸気排気穴を設けている。高電圧電源４は本図において一方が設置側電極６に接続し、他方が被処理ガスが通過する管に接続しているが、本実施形態ではこの管が高電圧側電極７に接続しているからである。図３は本実施の形態に係わる合波された印加電圧波形である。図３においてＸ軸は時間、縦軸は電圧を示す。図４は５それぞれ合波前の高周波正弦波交流電圧と高周波方形波交流電圧の波形である。横軸縦軸は図３と同じである。合波のよりこのましい前記周波数は１ｋＨｚ〜４ｋＨｚであり、ここでいう同周波数、同位相とは全く一致することが最も望ましいが、実用上として、周波数は±１０％、位相差は±２％の範囲にある波形をさし、この範囲内であれば処理効率と電力効率が向上する。図３に示すように電極間に供給される電圧は方形波的な急峻な電圧変化となだらかなスロープ部分をもった印加電圧であるため、極性が瞬時に反転しても放電は途切れることなく連続的に発生するようになる。このため、揮発性化合物などを含有するガスの分解処理における電力効率を向上させることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施例について説明するが、本発明は該実施例により限定されるものではない。以下の実施例及び比較例で用いられる実験条件内容はつぎのとおりである。
・実験装置
ガス処理装置：粒径３ｍｍのγアルミナ
同軸円筒状パックトベッド式放電装置
リアクタ寸法：外Φ＝１４ｍｍ、内Φ＝１１．５ｍｍ、長さ＝４８ｍｍ
サンプルガス：メチルメルカプタン（１０ｐｐｍ、母気体は窒素ガス）
・処理条件
ガス流量：１Ｌ／ｍｉｎ
消費電力：０．８８Ｗ

（実施例１：同周波数同位相の合波を利用）
実施例１において、図２に示すガス処理装置を用い、対象物質の処理効果を確かめる実験を行った。高電圧側電極−接地側電極に供給する印加電圧波形は、図３に示すような通常の高周波交流電圧に高周波方形波電圧の二つの電圧波形を、１ｋＨｚの同周波数、同位相差で重ね合わせた新しい波形を用いた。被処理ガスとして１０ｐｐｍのメチルメルカプタンを含有するＮ２べースガスを用い、ガス処理装置に流通した。次いで、高電圧側電極と接地側電極との間に電圧を１７．４４ｋＶｐ−ｐ、０．８８Ｗで印加し、プラズマ放電を発生させて該Ｎ２ベースガスの処理を行った。このとき力率は０．７３である。ガス処理装置から排出された処理ガスをガス検知管により分析した結果、メチルメルカプタンの処理率は９０％であった。このとき、処理ガスの温度は５２．３℃であった。

（実施例２：同周波数、一周期異なる位相の合波を利用）
実施例２において、図２に示すガス処理装置を用い、対象物質の処理効果を確かめる実験を行った。高電圧側電極−接地側電極に供給する印加電圧波形は、通常の高周波交流電圧に高周波方形波電圧の二つの電圧波形を、１ｋＨｚの同周波数、位相差３６０ｄｅｇで重ね合わせた波形を用いた。被処理ガスとして１０ｐｐｍのメチルメルカプタンを含有するＮ２べースガスを用い、ガス処理装置に流通した。次いで、高電圧側電極と接地側電極との間に電圧を印加し、プラズマ放電を発生させて該Ｎ２ベースガスの処理を行った。ガス処理装置から排出された処理ガスをガス検知管により分析した結果、メチルメルカプタンの処理率は９０％であった。

（実施例３：わずかな異周波数と同位相の合波を利用）
実施例３において、図２に示すガス処理装置を用い、対象物質の処理効果を確かめる実験を行った。高電圧側電極−接地側電極に供給する印加電圧波形は、通常の高周波交流電圧（周波数：１ｋＨｚ）に対して高周波方形波電圧（周波数：９００Ｈｚまたは１．１ｋＨｚ）の二つの電圧波形を重ね合わせた波形を用いた。両波は同位相で合波させた。被処理ガスとして１０ｐｐｍのメチルメルカプタンを含有するＮ２べースガスを用い、ガス処理装置に流通した。次いで、高電圧側電極と接地側電極との間に電圧を印加し、プラズマ放電を発生させて該Ｎ２ベースガスの処理を行った。ガス処理装置から排出された処理ガスをガス検知管により分析した結果、メチルメルカプタンの処理率は９０％であった。

（実施例４：同周波数、わずかの異位相の合波を利用）
実施例４において、図２に示すガス処理装置を用い、対象物質の処理効果を確かめる実験を行った。高電圧側電極−接地側電極に供給する印加電圧波形は、通常の高周波交流電圧に高周波方形波電圧の二つの電圧波形を、１ｋＨｚの同周波数、位相差３５５ｄｅｇまたは３６５ｄｅｇで重ね合わせた波形を用いた。被処理ガスとして１０ｐｐｍのメチルメルカプタンを含有するＮ２べースガスを用い、ガス処理装置に流通した。次いで、高電圧側電極と接地側電極との間に電圧を印加し、プラズマ放電を発生させて該Ｎ２ベースガスの処理を行った。ガス処理装置から排出された処理ガスをガス検知管により分析した結果、メチルメルカプタンの処理率は９０％であった。

（比較例１）
比較例１において、図２に示すガス処理装置を用い、対象物質の処理効果を確かめる実験を行った。高電圧側電極−接地側電極に供給する印加電圧波形は、図４に示すような高周波正弦波交流電圧波形を用いた。周波数は１ｋＨｚである。被処理ガスとして１０ｐｐｍのメチルメルカプタンを含有するＮ２べースガスを用い、ガス処理装置に流通した。次いで、高電圧側電極と接地側電極との間に１７．７０ｋＶｐ−ｐ、０．８８Ｗの電圧を印加してプラズマ放電を発生させて該Ｎ２ベースガスの処理を行った。ガス処理装置から排出された処理ガスをガス検知管により分析した結果、メチルメルカプタンの処理率は８０％であった。

（比較例２：発熱防止による電力効率の向上）
比較例２において、図２に示すガス処理装置を用い、発熱防止及び電力効率の向上効果を確かめる実験を行った。高電圧側電極−接地側電極に供給する印加電圧波形は、図５に示すような高周波方形波電圧波形を用いた。周波数は１ｋＨｚである。被処理ガスとして１０ｐｐｍのメチルメルカプタンを含有するＮ２べースガスを用い、ガス処理装置に流通した。このとき被処理ガスの温度は２３．６℃である。次いで、高電圧側電極と接地側電極との間に１７．５６ｋＶｐ−ｐ、０．８８Ｗの電圧を印加してプラズマ放電を発生させて該Ｎ２ベースガスの処理を行った。このとき力率は０．６８である。ガス処理装置から排出された処理ガスをガス検知管により分析した結果、メチルメルカプタンの処理率は８０％となった。このとき、処理ガスの温度は６８．２℃であった。

（比較例３：同周波数大きく異なる位相の合波を利用）
比較例３において、図２に示すガス処理装置を用い、対象物質の処理効果を確かめる実験を行った。高電圧側電極−接地側電極に供給する印加電圧波形は、通常の高周波交流電圧に高周波方形波電圧の二つの電圧波形を、１ｋＨｚの同周波数、位相差１０〜３５０ｄｅｇで重ね合わせた波形を用いた。被処理ガスとして１０ｐｐｍのメチルメルカプタンを含有するＮ２べースガスを用い、ガス処理装置に流通した。次いで、高電圧側電極と接地側電極との間に０．８８Ｗの電圧を印加してプラズマ放電を発生させて該Ｎ２ベースガスの処理を行った。ガス処理装置から排出された処理ガスをガス検知管により分析した結果、メチルメルカプタンの処理率は８０〜８２％であった。

実施例１，２において、比較例１、２と比べて、メチルメルカプタンの処理率が１０％向上した。電力効率としては７％と向上し、１５．９℃発熱を低減した。また、比較例３と比べて、高周波交流電圧と高周波方形波電圧が同位相である場合にメチルメルカプタンの処理率が１０％向上した。以上より、高周波交流と高周波方形波を同周波数、同位相で重ね合わせることで、処理能力の向上と電力効率の向上化をはかることができる。

本発明の実施の形態に係るガス処理装置の構成図図１のプラズマリアクタの模式図重ねあわされた印加電圧波形の図高周波正弦波交流電圧波形の図高周波方形波交流電圧波形の図

符号の説明

１プラズマリアクタ
２変圧器
３発信器
４高電圧電源
５誘電体
６接地側電極
７高電圧側電極
８印加電圧波形
９交流電圧波形
１０方形波電圧波形

Claims

対象物質を含有しているガスを大気圧プラズマにより処理するプラズマ処理方法において、高周波正弦波と高周波方形波とが同周波数、同位相で重ね合わされた合成波形から生成される前記大気圧プラズマにより前記対象物質を前記処理することを特徴とするプラズマ処理方法。
前記合成波形は、前記高周波方形波の立ち上り部分と前記高周波正弦波のスロープ部分とから構成させる波形であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理方法。
一対の電極と前記一対の電極を収容するプラズマリアクタを有し、前記一対の電極に印加される高周波が生成する大気圧プラズマによりガスが含有する対象物質を処理するプラズマ処理装置において、高周波正弦波と高周波方形波から高周波合波を得る合波手段と、前記高周波合波を増幅する増幅手段とを有することを特徴とするプラズマ処理装置。