JP2007059385A - 無駄な放電を防止するための電極構造の大気圧プラズマ発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】無駄な放電を防止するための電極構造の大気圧プラズマ発生装置を提供する。
【解決手段】電源供給手段５０から放電電圧が印加される第１電極１０と、第１電極１０と所定間隔が離隔され、第１電極１０を取り囲む誘電体３０と、第１電極１０と誘電体３０との間の空間に充填される液体誘電体４０と、誘電体３０と所定間隔が離隔されるように設置される第２電極２０と、を備える。さらに、第２電極２０と所定間隔が離隔され、第２電極２０を取り囲む第２誘電体と、第２電極２０と前記第２誘電体との間の空間に充填される第２液体誘電体とを付加することもできる。
【選択図】図４

Description

本発明は、無駄な放電を防止するための電極構造の大気圧プラズマ発生装置に関し、さらに詳細には、電極と誘電体との間に間隔を隔てて、第１電極と誘電体との間に液体誘電体を充填することによって、無駄な放電が生じるのを防止する大気圧プラズマ電極構造に関する。

プラズマ発生装置は、２つの電極間に放電を起こし、その間に注入されたガスをイオン化させることによって、プラズマを発生させる。このように形成されたプラズマは、化学反応を容易にするので、有機汚染物の洗浄及び表面処理などの工程に用いられる。

最近、注目されつつある大気圧プラズマ発生装置は、従来の真空システムを必要とせず、１気圧（７６０ｔｏｒｒ）において反応チャンバーなしで、従来の生産ラインに直接適用できるため、連続的な工程により処理できるものである。しかしながら、大気圧プラズマは、真空ではない常圧で放電を起こさなければならないため、低圧と比較して、かなり高い電圧が両電極の間に印加されることによって、Ａｒｃが生じ、このようなＡｒｃは、電極及び被処理物の損傷を引き起こすという問題がある。

上記の問題を解決するための方式として、電極間に誘電体層を形成する方法が知られている。２つの電極の一方又は両方電極の表面に、セラミックなどの絶縁体又は誘電体を被服又は密着して高電圧を印加すれば、２つの電極から直接放電が発生せず、誘電体と電極との間又は誘電体と誘電体との間で放電が発生することになるが、これを誘電体バリア放電（Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ−ｂａｒｒｉｅｒ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）又は無声放電（Ｓｉｌｅｎｔ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）という。

図１は、従来の誘電体バリア放電方式を用いた大気圧プラズマ発生装置の電極構造を示す断面図である。
同図に示すように、電源供給手段５が、第１電極１と第２電極２との間に電圧を印加し、誘電体３が、第１電極１及び第２電極の面にそれぞれ平板状に形成されている。両誘電体３の間には、一定間隔が維持される空間が形成されており、電源供給手段５により電圧が印加されると、両誘電体３の間の空間においてプラズマ６が生成される。

両電極１、２の間に位置する誘電体３は、放電により伝達される電荷の量を制限し、放電を電極全体に拡散させる役割を果たす。このような誘電体バリア放電方式には、主に数〜数十ｋＨｚの交流電圧やパルス状の電圧が印加され、電圧の大きさは数ｋＶ程度である。誘電体バリア放電方式は、電極間の電圧が高いため、従来に用いられていた不活性ガスのみならず、空気のような放電電圧の高いガスを用いることによっても容易にプラズマを発生させることができる。

図２は、従来の誘電体バリア放電方式を用いた大気圧プラズマ電極構造のさらに他の実施の形態を示す断面図である。
同図に示すように、両電極１、２の間に誘電体３が形成され、放電によりプラズマ６が生成されるという点は図１と同じであるが、第１電極１及び第２電極２の断面が、円状に形成され、その内部に誘電体３層が接して形成されたという特徴がある。また、第１電極１の内部に冷却水４を充填し得る空間が形成されているという特徴もある。図１と図２において、いずれか一方の誘電体は省略できる。

図１及び図２に示すような従来の放電構造では、第１電極及び第２電極１、２と誘電体３とが互いに密着されているため、第１電極１と第２電極２との間に電源が印加されると、第１電極及び第２電極１、２とそれに接した誘電体３との間の微細な隙間及び電極周辺の境界領域でも放電が発生し、無駄なプラズマ７が生じることによって、電力損失を引き起こすという問題があった。

また、第１電極及び第２電極１、２に誘電体３を被覆して用いる場合は、被覆層の内部又は被覆層と第１電極及び第２電極１、２との間に微細な気泡が存在すれば、気泡から放電が発生するようになり、被覆層が壊れる等、電極の寿命に致命的な影響を及ぼすという問題もあった。

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、第１電極や第２電極に誘電体を形成するとき、電極と誘電体との間に空間を形成し、液体誘電体や冷却水を充填することによって、第１電極と第２電極の周囲に無駄な放電が発生することを防止するプラズマ発生装置を提供することにある。
冷却水も誘電体であるため、以下では「液体誘電体や冷却水」の代りに、便宜上「液体誘電体」と略称する。

上記目的を達成すべく、本発明に係る、無駄な放電を防止するための電極構造の大気圧プラズマ発生装置によれば、電源供給手段から放電電圧が印加される第１電極と、前記第１電極と所定間隔が離隔され、前記第１電極を取り囲む誘電体と、前記第１電極と前記誘電体との間の空間に充填される液体誘電体と、前記誘電体と所定間隔が離隔されるように設置される第２電極と、を備える。

また、前記第２電極と所定間隔が離隔され、前記第２電極を取り囲む第２誘電体と、前記第２電極と前記第２誘電体との間の空間に充填される第２液体誘電体とをさらに備える。

本発明によれば、誘電体を利用して両電極間に放電を発生させてプラズマを生成する過程において、電極と誘電体との境界面間の無駄な放電発生を遮断することによって、表面処理や洗浄などの実際作業に利用できない無駄な放電プラズマが生成されるのを防止できるという効果がある。これによって、このような無駄な放電による電力損失などの各種浪費を防止でき、電極に局部的な加熱が発生することを遮断することによって、電極の寿命を長く維持できるという効果がある。

また、液体誘電体を、電極と誘電体との間の無駄な放電を遮断する用途と冷却のための用途として共に活用することによって、別の冷却水を使用する必要がないという効果もある。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面に基づき詳細に説明する。
図３は、本発明の第１実施の形態に係る大気圧プラズマ発生装置の電極構造を示す断面図である。

同図に示すように、導体で構成される第１電極１０が、円柱状に電源供給手段５０に接続されている。そして、誘電体３０が、第１電極１０と所定間隔Ｄが離隔され、円柱状に第１電極１０を取り囲んでおり、第１電極１０と誘電体３０との間の空間Ｄには、液体誘電体４０が充填される。また、第２電極２０が、誘電体３０から所定間隔が離隔され、誘電体３０を円柱状に取り囲むように設置されている。第１電極１０は、電源供給手段５０から電力を供給される電力印加電極として作用する。第２電極２０は、接地させても良く、又はフローティング状態にしても良い。

そして、第２電極にも第１電極と同様に、（第２）誘電体及び（第２）液体誘電体を付加できる。

ここで、第１電極１０と第２電極２０との間に位置する誘電体３０には、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化チタニウム（ＴｉＯ_２）、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）などの酸化物系のセラミック物質が主に用いられる。そして、第１電極１０と誘電体３０との間には、液体誘電体４０が充填されるが、誘電体３０と液体誘電体４０は、放電により伝達される電荷の量を制限し、放電が電極全体に拡散させる役割を果たす。液体誘電体４０は、また大気圧プラズマ発生装置の駆動過程において発生する高い熱を冷却させる役割も果たし、水の誘電性を用いて水を液体誘電体４０として用いることができる。

第１電極１０と誘電体３０との間の間隔Ｄは、放電電極の幅、長さ、液体誘電体４０の誘電率及び冷却能力によって異なり得るが、液体誘電体４０のスムーズな供給及び排出のためには、０．１〜３０．０ｍｍの範囲の間隔が好ましい。

電源供給手段５０から第１電極１０と第２電極２０との間に放電電圧が印加されると、誘電体３０と第２電極２０との間の空間から放電が発生し、プラズマ６０が生成される。
図４は、本発明の第２実施の形態に係る大気圧プラズマ発生装置の電極構造を示す断面図である。

同図に示すように、導体で構成される第１電極１０が平板状に電源供給手段５０に接続されている。そして、誘電体３０が第１電極１０と所定間隔が離隔Ｄされ、４角柱状に第１電極を取り囲んでおり、第１電極１０と誘電体３０との間の空間Ｄには、液体誘電体４０が充填される。また、第２電極２０が誘電体３０から所定間隔が離隔されて、広い平板状に設置されている。第１電極１０は、電源供給手段５０から電力を供給される電力印加電極として作用する。第２電極２０は、接地させても良く、又はフローティング状態にしても良い。

第２電極にも第１電極と同様に、（第２）誘電体及び（第２）液体誘電体を適用できることは言うまでもない。

誘電体３０は、第１実施の形態と同様に、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３））、酸化チタニウム（ＴｉＯ_２）、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）などの酸化物系のセラミック物質が主に用いられ、第１電極１０と誘電体３０との間には、液体誘電体４０が充填される。

誘電体３０と液体誘電体４０の役割は、第１実施の形態と同様に、放電により伝達される電荷の量を制限し、放電を電極全体に拡散させる役割を果たす。液体誘電体４０は、また大気圧プラズマ発生装置の駆動過程において発生する高い熱を冷却させる役割も果たし、水の誘電性を用いて水を液体誘電体４０として用いることもできる。

第１電極１０と誘電体３０との間の平行な面間の間隔Ｄは、放電電極の幅、長さ、液体誘電体４０の誘電率及び冷却能力によって異なり得るが、液体誘電体４０のスムーズな供給及び排出のためには、０．１〜３０．０ｍｍの範囲の間隔が好ましい。

そして、平板状の第２電極２０の幅は、必要によって誘電体３０の横面Ｗより大きいときもあるし、小さいときもある。
電源供給手段５０から第１電極１０と第２電極２０との間に放電電圧が印加されると、誘電体３０と第２電極２０との間の空間から放電が発生し、プラズマ６０が生成される。

以上、本発明の好ましい２種類の実施の形態について説明したが、該当分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の本質的技術思想を維持したまま、多様な変形又は隣接分野への適用が可能である。すなわち、電極及び誘電体形状の変更（円柱状、チューブ状、平板４角柱状）等を通した変形や大気圧プラズマの他にも、電極間の放電を利用した他の全てのプラズマ発生装置への適用が可能である。

上述した本発明の好ましい実施の形態は、例示の目的のために開示されたものであり、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形、及び変更が可能であり、このような置換、変更などは、特許請求の範囲に属するものである。

従来の大気圧プラズマ発生装置の電極構造を示す断面図である。 従来の大気圧プラズマ発生装置の電極構造の他の実施の形態を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る大気圧プラズマ発生装置の電極構造を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る大気圧プラズマ発生装置の電極構造を示す断面図である。

符号の説明

１，１０ 第１電極
２，２０ 第２電極
３，３０ 誘電体
４ 冷却水
４０ 液体誘電体
５，５０ 電源供給手段
６，６０ プラズマ
７ 無駄な放電プラズマ

Claims (11)

1. プラズマ発生装置であって、
   電源供給手段から放電電圧が印加される第１電極と、
   前記第１電極と所定間隔が離隔され、前記第１電極を取り囲む誘電体と、
   前記第１電極と前記誘電体との間の空間に充填される液体誘電体と、
   前記誘電体と所定間隔が離隔されるように設置される第２電極と、を備える無駄な放電を防止するための電極構造の大気圧プラズマ発生装置。
2. 前記電源供給手段からの放電電圧が、前記第２電極に印加され、前記第１電極が、接地又はフローティング状態になったことを特徴とする請求項１に記載の無駄な放電を防止するための電極構造の大気圧プラズマ発生装置。
3. 前記第２電極と所定間隔が離隔され、前記第２電極を取り囲む第２誘電体と、
   前記第２電極と前記第２誘電体との間の空間に充填される第２液体誘電体と
   をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の無駄な放電を防止するための電極構造の大気圧プラズマ発生装置。
4. 前記液体誘電体が、冷却機能を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の無駄な放電を防止するための電極構造の大気圧プラズマ発生装置。
5. 前記液体誘電体として水を使用することを特徴とする請求項４に記載の無駄な放電を防止するための電極構造の大気圧プラズマ発生装置。
6. 前記液体誘電体が、冷却機能を有することを特徴とする請求項３に記載の無駄な放電を防止するための電極構造の大気圧プラズマ発生装置。
7. 前記液体誘電体として、水を使用することを特徴とする請求項６に記載の無駄な放電を防止するための電極構造の大気圧プラズマ発生装置。
8. 前記誘電体と前記第２電極との間の隔離距離が、０．１〜３０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１又は２に記載の無駄な放電を防止するための電極構造の大気圧プラズマ発生装置。
9. 前記誘電体と前記第２誘電体との間の隔離距離が、０．１〜３０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項３に記載の無駄な放電を防止するための電極構造の大気圧プラズマ発生装置。
10. 前記誘電体と前記第２電極との間の隔離距離が、０．１〜３０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項４に記載の無駄な放電を防止するための電極構造の大気圧プラズマ発生装置。
11. 前記誘電体と前記第２誘電体との間の隔離距離が、０．１〜３０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項６に記載の無駄な放電を防止するための電極構造の大気圧プラズマ発生装置。
    

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