JP2006269095A - Plasma generation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、密閉された真空環境などではなく、大気圧の環境下でプラズマを生成するプラズマ生成装置に関する。 The present invention relates to a plasma generating apparatus that generates plasma in an atmosphere of atmospheric pressure, not in a sealed vacuum environment.
従来、プラズマの生成は密閉された真空環境で行われていた。このため、プラズマの応用分野も限られてしまう。このため、最近では大気圧の環境下でプラズマを生成する要望が増えてきている。 Conventionally, plasma generation has been performed in a sealed vacuum environment. For this reason, the application field of plasma will also be limited. For this reason, recently, there is an increasing demand for generating plasma in an environment of atmospheric pressure.
大気圧の環境下で生成されるプラズマによれば、たとえば対象物であるガスを殺菌したり、改質したりすることが可能であり、様々な用途が考えられる。 According to plasma generated under an atmospheric pressure environment, for example, it is possible to sterilize or modify a gas as an object, and various applications are conceivable.
ところで、大気圧の環境下でプラズマを生成する方法としては放電を利用することが知られており、たとえば特許文献1にはその一例が開示されている。 By the way, as a method of generating plasma under an atmospheric pressure environment, it is known to use discharge. For example, Patent Document 1 discloses an example.
特許文献1に記載の発明では、スタッド形状の電極とその周囲を覆うケーシング(接地電位)との間でアーク放電を発生させ、この放電路に対して作動ガスを吹き込ませて、その作動ガスのプラズマを発生させる技術について開示している。 In the invention described in Patent Document 1, an arc discharge is generated between a stud-shaped electrode and a casing (ground potential) covering the periphery thereof, and a working gas is blown into the discharge path, so that the working gas A technique for generating plasma is disclosed.
特許文献1に記載の発明のように、従来のプラズマ生成装置では、電極間にアーク放電を発生させ、その熱によって作動ガスを分解しプラズマを生成するようにしていた。 As in the invention described in Patent Document 1, in the conventional plasma generator, arc discharge is generated between the electrodes, and the working gas is decomposed by the heat to generate plasma.
ところが、従来のように、作動ガス分解のためにアーク放電を用いる場合には、大電流を必要とし、消費電力量が大きく、熱で作動ガスを分解するため余分なエネルギーを浪費してしまうし、プラズマ生成のために多くの熱量を発生し、経時的な電極溶解の進行も早いという問題があった。 However, when arc discharge is used for working gas decomposition as in the prior art, a large current is required, power consumption is large, and heat decomposes the working gas to waste extra energy. However, there is a problem that a large amount of heat is generated for plasma generation, and the electrode dissolution progresses with time.
本発明は上記の点にかんがみてなされたもので、アーク放電を発生させずに、大気圧下で効率良くプラズマを生成することができ、ガスの殺菌や改質等を行うことができるプラズマ生成装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and can generate plasma efficiently under atmospheric pressure without causing arc discharge, and can generate plasma that can be sterilized or reformed. An object is to provide an apparatus.
本発明は上記課題を解決するため、リング状または円筒状電極と、針状電極と、高電圧源とを有し、前記リング状または円筒状電極と前記針状電極との間に前記高電圧源による所定の電圧を印加することによって、前記リング状または円筒状電極と前記針状電極との間に放電を発生させ、該放電位置に作動ガスを通過させてプラズマ化することを特徴とするプラズマ生成装置。 In order to solve the above problems, the present invention includes a ring-shaped or cylindrical electrode, a needle-shaped electrode, and a high-voltage source, and the high-voltage is interposed between the ring-shaped or cylindrical electrode and the needle-shaped electrode. By applying a predetermined voltage from a source, a discharge is generated between the ring-shaped or cylindrical electrode and the needle-shaped electrode, and a working gas is passed through the discharge position to generate plasma. Plasma generator.
また本発明は、前記針状電極が、前記リング状または円筒状電極の中心軸上の位置に設けられたことを特徴とする。 Further, the present invention is characterized in that the needle-like electrode is provided at a position on a central axis of the ring-like or cylindrical electrode.
また本発明は、請求項1または2に記載のプラズマ生成装置を複数備えてなることを特徴とする。
In addition, the present invention is characterized by comprising a plurality of plasma generating apparatuses according to
また本発明は、前記高電圧源が、乾電池と、前記乾電池の電圧を高圧に変換する高圧発生器とからなることを特徴とする。 In the invention, it is preferable that the high voltage source includes a dry battery and a high voltage generator that converts the voltage of the dry battery into a high voltage.
また本発明は、前記プラズマ化した作動ガス中の不要物を吸引するイオン除去装置をさらに備えたことを特徴とする。 The present invention is further characterized by further comprising an ion removing device for sucking unnecessary substances in the plasma working gas.
また本発明は、前記プラズマ化した作動ガス中のオゾンを分解するオゾン分解手段をさらに備えたことを特徴とする。 The present invention is further characterized by further comprising an ozonolysis means for decomposing ozone in the plasma working gas.
本発明によれば、アーク放電を発生させずに、大気圧下で効率良くプラズマを生成することができ、ガスの殺菌や改質等を行うことができるプラズマ生成装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a plasma generation apparatus that can generate plasma efficiently under atmospheric pressure without generating arc discharge and can perform sterilization and reforming of gas.
すなわち本発明によれば、従来のように作動ガス分解のために(大電流を必要とする)アーク放電を用いないので、消費電力量が小さいという効果を奏することができる。また、熱で作動ガスを分解しないので余分なエネルギー浪費がないし、プラズマ生成のために多くの熱量を発生することもないし、電極溶解のおそれもない。 That is, according to the present invention, since arc discharge (requiring a large current) is not used for working gas decomposition as in the prior art, an effect that power consumption is small can be achieved. Further, since the working gas is not decomposed by heat, there is no extra energy wasted, no large amount of heat is generated for plasma generation, and there is no fear of electrode dissolution.
また、本発明のプラズマ生成装置の放電で生成されるプラズマ中には多くの高エネルギー電子が存在し、プラズマによる殺菌とともに、放電によって大量のオゾンが生成されるので、オゾンによる殺菌も同時にできる。この両者の殺菌作用によって、より高効率の殺菌ができるので、SARSなどの病原菌の殺菌に大変有効であり、たとえば病院内の空気清浄機として応用することもできる。また、殺菌に使用したオゾンはその後、オゾン除去手段によって除去することもできる。 In addition, since many high-energy electrons exist in the plasma generated by the discharge of the plasma generating apparatus of the present invention and a large amount of ozone is generated by the discharge together with the sterilization by the plasma, the sterilization by ozone can be performed at the same time. Since the sterilization action of both can sterilize more efficiently, it is very effective for sterilization of pathogenic bacteria such as SARS, and can be applied as, for example, an air cleaner in a hospital. Further, the ozone used for sterilization can be removed by ozone removing means thereafter.
また本発明によれば、小電力で大容量のプラズマが大気中で生成できるので、物体の清掃、研磨、蒸着や気体の改質など、多方面への応用ができる。 Further, according to the present invention, a large-capacity plasma with a small electric power can be generated in the atmosphere, so that it can be applied to various fields such as cleaning an object, polishing, vapor deposition and gas modification.
また本発明によれば、放電を用いるので、後処理の問題がなく、装置がきわめて簡単であり、工業的価値が高いという効果もある。 In addition, according to the present invention, since discharge is used, there is no problem in post-processing, the apparatus is extremely simple, and there is an effect that the industrial value is high.
また本発明によれば、製作が簡単であり、わずかな材料で装置が作れる。 Further, according to the present invention, it is easy to manufacture, and a device can be made with a small amount of material.
また本発明によれば、不平等電界によるグローコロナ放電でプラズマを生成するので、小電力で済む。 Further, according to the present invention, plasma is generated by glow corona discharge using an unequal electric field, so that a small amount of power is sufficient.
また本発明によれば、入力電圧がたとえば3V程度と低くて済むので、たとえば自動車の排気管などどこにでも設置できるという効果がある。 Further, according to the present invention, since the input voltage can be as low as about 3 V, for example, there is an effect that it can be installed anywhere such as an exhaust pipe of an automobile.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施の形態によるプラズマ生成装置の構成を示す概略斜視図である。 FIG. 1 is a schematic perspective view showing a configuration of a plasma generating apparatus according to an embodiment of the present invention.
本実施の形態のプラズマ生成装置1は、円筒管であるケーシング2内に円板3および4を設け、ケーシング2内の円板3および4の位置や円板3と円板4との間隔を位置決め手段であるネジ棒5にて固定して構成される。
The plasma generating apparatus 1 of the present embodiment is provided with
円板3は、絶縁体のたとえばアクリルの円板であり、本実施の形態では5つの貫通孔3aが設けられ、その貫通孔3aのそれぞれに嵌るように5つのリング状の電極6が設けられている。
The
円板4は、円板3と同様に、絶縁体のたとえばアクリルの円板であり、本実施の形態では4つの貫通孔4aが設けられ、その貫通孔4aとは別の位置に、5本の針状の電極7が設けられている。
The
リング状電極6と針状電極7との間には直流電源回路8による直流電圧が印加される。本実施の形態では、直流電源回路8は、電源プラグ8aから供給される交流電圧100〜200Vを受け、リング状電極6を陰極、針状電極7を陽極とし、このリング状電極6と針状電極7との間に直流電圧10kV、電流0.1mAの電力供給を行う。なお、ここでは直流電圧を印加するようにしているが、本発明はこれに限らず、直流、交流、パルスなど、どのような電圧であってもかまわない。これは以下のどの実施の形態においても同様である。
A DC voltage is applied between the
円板4においては孔4aにて貫通し、円板3においては孔3aにて貫通しており、これら貫通孔4aおよび3aを通って図1に矢印にて示す方向に作動ガスが流れてケーシング2内を通過する。すなわち、図1においてはケーシング2の右側が作動ガスの入口であり、左側が出口である。
The
5本の針状電極7のそれぞれは、5つのリング状電極6のそれぞれに対向して設けられ、各組み合わせにおいてリング状電極6の中心軸上に針状電極7が位置するよう、円板3と円板4とがネジ棒5にて固定される。このネジ棒5によれば円板3と円板4との間隔を調整することも可能である。なお、ここでは、リング状電極6の外側に針状電極7が位置するようにしているが、本発明はこれに限らず、リング状電極6の外側に針状電極7が位置するようにしてもよい。これは以下のどの実施の形態においても同様である。
Each of the five needle-
針状電極7はたとえば直径1mmのイリジウム合金、タングステンまたはステンレス等の針形状部材であり、リング状電極6はたとえば内径8mm、外径10mmのステンレス等のリング形状部材である。
The
ケーシング2の材質は各電極から絶縁されていればSUS(ステンレス)などの金属でもよいし、アクリルなどの樹脂であってもよい。ネジ棒5も同様に、各電極から絶縁されていればSUS(ステンレス)などの金属でもよいし、アクリルなどの樹脂であってもよい。
The material of the
本実施の形態では、リング状電極6は接地され、針状電極7には抵抗器(安定抵抗、保護抵抗)を介して直流電源回路8による直流電圧が印加され、この針状電極7とリング状電極6との間にグローコロナ放電が発生する。
In the present embodiment, the
このように針状電極7とリング状電極6との間に放電電圧が印加され、放電が発生している状態のときに、図1に矢印で示すように作動ガスを注入すると、この作動ガスが針状電極7とリング状電極6との間に生じた放電路を通過し、作動ガスはプラズマ化される。
When a discharge voltage is applied between the needle-
図2は、図1に示した5つの針状電極7とリング状電極6との組み合わせのうちの1つによって電気力線の様子を示す概略側面図である。
FIG. 2 is a schematic side view showing a state of lines of electric force by one of the combinations of the five needle-
図2に示すように、本実施の形態によれば、針状電極7の先端からリング状電極6の円周に向けて電気力線9が発生する。
As shown in FIG. 2, according to the present embodiment, electric lines of force 9 are generated from the tip of the
この電気力線9は針状電極7から垂直に放射されるために、図2に示すように、針状電極7の近傍では電気力線9は湾曲し、ふくらみを形成する。
Since the electric lines of force 9 are radiated perpendicularly from the needle-
また、針状電極7の近傍では電気力線9が集中して電界も強くなるが、リング状電極6に近づくにつれてリング状電極6の円周に向けて電気力線9が広がり電界も弱くなる。このような電気力線9の広がりによって、本実施の形態では、針状電極7とリング状電極6との間に流れる電流を極力小さくすることができ、消費電力を低減することができる。
In addition, the electric force lines 9 are concentrated in the vicinity of the needle-
図1に示したケーシング2の入口から流入した作動ガスは、円板4の孔4aを通過し、さらに、電気力線9が作る電界を通過した後に、円板3の孔3aを通過し出口から流出する。作動ガスが電気力線9による電界を通過する際、そのガスは陰極放電で電離される。この作用によって、ガスの殺菌、改質を行うことができる。
The working gas flowing in from the inlet of the
図3は、図1に示した針状電極7とリング状電極6との間に印加する印加電圧と、針状電極7とリング状電極6との間の放電電流との関係を示す放電電流特性の図であり、横軸が印加電圧を示し、縦軸が放電電流を示す。
FIG. 3 shows a discharge current indicating the relationship between the applied voltage applied between the
この図3に示す特性は、針状電極7とリング状電極6との組み合わせが5つであり、それぞれにおいて、針状電極7とリング状電極6との距離は10mm、針状電極7の直径は1mm、リング状電極6の直径は内径が8mm、外径が10mmとして測定したものである。
The characteristics shown in FIG. 3 are five combinations of the needle-
図3に示すように、放電は印加電圧8.9kV程度で急激に始まり、電圧とともに電流が増加し、10.9kVで最大の電流(ここでは0.06〜0.09mA程度)となる。この領域がグローコロナ放電であり、本実施の形態のプラズマ生成装置1はこの領域で駆動するのが望ましい。 As shown in FIG. 3, the discharge starts rapidly at an applied voltage of about 8.9 kV, the current increases with the voltage, and reaches a maximum current (here, about 0.06 to 0.09 mA) at 10.9 kV. This region is glow corona discharge, and it is desirable that the plasma generator 1 of the present embodiment is driven in this region.
この放電の電力は0.654〜0.981W程度であり、作動ガスとしての空気(主に窒素)プラズマの容積は1.31cm3とすることができる。 The power of this discharge is about 0.654 to 0.981 W, and the volume of air (mainly nitrogen) plasma as the working gas can be 1.31 cm 3 .
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described.
図4は、本発明の第2の実施の形態によるプラズマ生成装置の構成を示す概略側断面図である。 FIG. 4 is a schematic sectional side view showing the configuration of the plasma generating apparatus according to the second embodiment of the present invention.
本実施の形態のプラズマ生成装置11は、円筒管であるケーシング12内に、作動ガスの流れを中心に向けるためのガス絞込管13と、円筒状の電極14と、棒状の電極15とを備えて構成される。
The
ガス絞込管13は、先端が細った円錐状の形状であり、その材質はアクリル等の樹脂でもよいし、SUS(ステンレス)等であってもかまわない。流入させるガスは、たとえば空気中にSOX、NOX、XO2、スス等を含むものであってよい。本実施の形態によればこのガスの殺菌、解離等を行うことができる。
The
円筒状電極14はケーシング12の内面にて支持され、棒状電極15は支持蓋16によって支持される。支持蓋16には作動ガスを流入させるための穴が開けてあり、また、中心に棒状電極15を指示する支持部を有している。
The
ケーシング12は、たとえば外径12mm、内径10mm、長さ50mmのアクリル管であり、棒状電極15は、たとえば直径1mm、長さ30mmのSUS(ステンレス)−インジウム合金棒であり、円筒状電極14は、たとえば外径10mm、内径8mm、長さ15mmのSUS(ステンレス)管である。
The
円筒状電極14と棒状電極15との間には、高圧発生器17からの高電圧が印加される。高圧発生器17は、たとえば直流3Vの電池である電源18からの電圧を高圧に変換して円筒状電極14と棒状電極15との間に供給するものであり、たとえばイグナイター、イグニッションコイルによって構成される。この高電圧はたとえばパルス状のものである。
A high voltage from the
このように本実施の形態のプラズマ生成装置11は、円筒状電極14と棒状電極15との間に高圧発生器17による高電圧を印加し、電極間の不平等電界によってグローコロナ放電を生じさせる。支持蓋16の方から矢印の方向に流入する作動ガスは、この放電によってプラズマ化される。
As described above, the
プラズマ生成装置11内に支持蓋16の方から流入した作動ガスは、ガス絞込管13によって、棒状電極15の先端の近傍の強電解部分に収束するようにされ、この強電界部分によってガスは効率よくプラズマ化される。これによってたとえば有毒ガスのプラズマ化、殺菌を行うことができる。プラズマ化されたガスはケーシング12の図4での左側から排出される。
The working gas that has flowed into the
この本実施の形態によれば電池などの低電圧を用いてプラズマの生成を行うことができ、簡単な電源で、且つ低消費電力で実現することができる。 According to this embodiment, plasma can be generated using a low voltage of a battery or the like, which can be realized with a simple power source and low power consumption.
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。この実施の形態では、複数の放電管を設け、これらによってプラズマを生成し、このプラズマ化によってたとえば自動車の排気ガスから有害物質等の不要物を除去するようにしている。 Next, a third embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, a plurality of discharge tubes are provided, plasma is generated by these, and unnecessary substances such as harmful substances are removed from, for example, automobile exhaust gas by this plasma formation.
図5は、本発明の第3の実施の形態によるプラズマ生成装置の構成を示す概略部分断面斜視図である。 FIG. 5 is a schematic partial cross-sectional perspective view showing the configuration of the plasma generating apparatus according to the third embodiment of the present invention.
本実施の形態のプラズマ生成装置21は、円筒管であるケーシング22内に、複数(本実施の形態では5本)の放電管24と、放電管24のそれぞれを支持する円板23と、網状の電極を円筒状に形成したメッシュ状電極26と、棒状電極27とを設けて構成される。
The
このプラズマ生成装置21は、自動車の排気管20に取り付けられ、排気ガスの有害物質等の不要物を除去して排出するものである。
The
円板23は、絶縁体のたとえばアクリルの円板であり、本実施の形態では5つの貫通孔23aが設けられ、その貫通孔4aによって放電管24のそれぞれが支持されている。
The
放電管24のそれぞれは、図4に示したプラズマ生成装置11と同様の構成であり、少なくとも棒状電極24aと円筒状電極24bとを有して構成され、棒状電極24aと円筒状電極24bとの間に電圧を印加すると図4に示したのと同様な電界が形成される。
Each of the
棒状電極24aと円筒状電極24bとの間には、高圧発生器28からの高電圧が印加される。高圧発生器28は、たとえば直流3Vの電池である電源29からの電圧を高圧に変換して棒状電極24aと円筒状電極24bとの間に供給するものであり、たとえばイグナイター、イグニッションコイルによって構成される。
A high voltage from the
このように本実施の形態のプラズマ生成装置21の放電管24のそれぞれは、棒状電極24aと円筒状電極24bとの間に高圧発生器28による高電圧を印加し、電極間の不平等電界によってグローコロナ放電を生じさせ、排気管20の方から矢印の方向に流入する作動ガスすなわち排気ガスは、この放電によってプラズマ化される。この排気ガスは、たとえばNOX、SOX、CO2、CO、スス等を含む。
As described above, each of the
また本実施の形態のプラズマ生成装置21は、メッシュ状電極26および棒状電極27を有し、メッシュ状電極26と棒状電極27との間に高圧発生器28による高電圧を印加し、これにプラズマ化されたガス中の有害物質等を吸着させる。この点について図6を参照してさらに説明する。
The
図6は、図5に示した実施の形態において、メッシュ状電極26や棒状電極27に有害物質等を吸着させる状態を説明する概略側面図である。
FIG. 6 is a schematic side view for explaining a state in which a harmful substance or the like is adsorbed to the
放電管24に流入する排気ガスは、上述のようにたとえばNOX、SOX、CO2、CO、スス等を含む。この排気ガスは放電管24内にてプラズマ化され、NOX +、SOX +、CO2 +、CO+、C2 +、O2 +、N2 +等の正イオン30aは負極のメッシュ状電極26に吸引され、また、電子30bは正極の棒状電極27に吸引され、それぞれ電極にトラップされ、また、ススも帯電して電極に吸着される。この結果、プラズマ生成装置21から排出されるガスは有害物質等を除去したものとなる。
As described above, the exhaust gas flowing into the
メッシュ状電極26や棒状電極27を含むイオン除去装置は、清掃、交換のため、スライドさせて取り外し可能であることが望ましい。
The ion removing device including the
次に、本発明の第4の実施の形態について説明する。この実施の形態は、排出するガス中のオゾンを除去する構成を有するものである。 Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. This embodiment has a configuration for removing ozone in the gas to be discharged.
図7は、本発明の第4の実施の形態によるプラズマ生成装置の構成を示す概略側断面図である。 FIG. 7 is a schematic sectional side view showing the configuration of the plasma generating apparatus according to the fourth embodiment of the present invention.
本実施の形態のプラズマ生成装置31は、円筒管であるケーシング32内に、円筒状の電極33と、棒状の電極34とを備えて構成される。
The
円筒状電極33はケーシング32の内面にて支持され、棒状電極35は支持蓋35によって支持される。支持蓋35には作動ガスを流入させるための穴が開けてあり、また、中心に棒状電極34を指示する支持部を有している。
The cylindrical electrode 33 is supported on the inner surface of the
円筒状電極33と棒状電極34との間には、高圧発生器39からの高電圧が印加される。高圧発生器39は、たとえば直流3Vの電池である電源40からの電圧を高圧に変換して円筒状電極33と棒状電極34との間に供給するものであり、たとえばイグナイター、イグニッションコイルによって構成される。
A high voltage from the
円筒状電極33内を通過したガスは、配管36の管路に設けられたポンプ38によって外部に吸出される。また、配管36の管路にはスポンジ37が設けられている。
The gas that has passed through the cylindrical electrode 33 is sucked to the outside by a
円筒状電極33と棒状電極34との間の放電によってプラズマ化されたガス中には作動ガスの種類によってオゾンが含まれるが、外気に排出される際にはこのオゾンは除去されるのが望ましい。本実施の形態では、円筒状電極33にてオゾンを分解する手段と、スポンジ37にてオゾンを分解する手段を提供する。
The gas converted into plasma by the discharge between the cylindrical electrode 33 and the rod-shaped
円筒状電極33は、図7に示すように、円筒の直径(内径)をa、長さをbとしたとき、内部でオゾンを分解するように、b>aであることが望ましい。円筒状電極33長さbをガスが通過する際にオゾンが分解される。 As shown in FIG. 7, the cylindrical electrode 33 preferably has b> a so that ozone is decomposed inside when the diameter (inner diameter) of the cylinder is a and the length is b. When the gas passes through the length b of the cylindrical electrode 33, ozone is decomposed.
また、円筒状電極33を通過した後にもオゾンが残っていた場合は、そのオゾンは吸着部材37に吸着される。スポンジ37はたとえばPH8以上のアルカリ性の水を含ませたものであり、ガスがこのスポンジ37を通過する際にはアルカリ性の水によってオゾンが分解される。
If ozone remains after passing through the cylindrical electrode 33, the ozone is adsorbed by the adsorbing
以上の構成によって、本実施の形態によれば排出ガス中からオゾンを除去することができる。 With the above configuration, according to the present embodiment, ozone can be removed from the exhaust gas.
1 プラズマ生成装置
2 ケーシング
3、4 円板
5 ネジ棒
6 リング状電極
7 針状電極
8 直流電源回路
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