JP2008103141A - プラズマ発生装置およびプラズマ発生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が可能で、消費電力を小さくして稼働時のコストを低減することができるプラズマ発生装置およびプラズマ発生方法を提供する。
【解決手段】プラズマトーチ１１が、互いに間隔を開けて設けられた陽極２３と陰極２５とを有している。ガス供給部が、陽極２３と陰極２５との間に、動作ガスとして空気を供給可能に設けられている。パルス電源が、陽極２３および陰極２５に接続され、陽極２３と陰極２５との間にパルス電圧を印加可能に設けられている。パルス電源は、陽極２３と陰極２５との間にパルス電圧を印加してパルスアーク放電を発生させ、動作ガスの空気をプラズマ化するようになっている。
【選択図】図２

Description

本発明は、プラズマ発生装置およびプラズマ発生方法に関する。

プラズマ流は、高エネルギー密度、化学的高活性などの特徴を持つ多機能性流体である。このようなプラズマの利用形態として、プラズマ中の酸素ラジカルや窒素ラジカルを、滅菌や殺菌などの医療プロセス、酸化膜や窒化膜の形成などの材料プロセスなどへ応用するための研究が進められている。また、航空宇宙分野では、プラズマ推進やプラズマによる燃焼促進など様々な応用研究が進められている（非特許文献１参照）。

医療プロセスや材料プロセスへの利用に際しては、簡易な構造を有し、小型で使いやすく、省エネルギー型のプラズマ発生装置の開発が期待されている。また、プラズマを用いた燃焼促進技術では、バーナーの１％以下の放電エネルギーを入力することで、その燃焼速度が２倍に増加することが実験により報告されている（非特許文献２参照）。さらに、プラズマによる燃焼促進においては、主にＯやＯＨなどのラジカルが重要な役割を果たすことが報告されている（非特許文献３参照）。特に低燃費の希薄燃焼では、従来の点火プラグに代わりプラズマジェットを用いる方法も研究されている（非特許文献４または５参照）。

従来のアーク放電を利用してプラズマを発生させるプラズマ発生装置は、電極に常時一定の電圧を印可してアーク放電を発生させている（例えば、特許文献１、２または３参照）。これらの従来のプラズマ発生装置は、主にプラズマアーク溶接法により金属の溶接に利用されている。

B. N. Ganguly : "Plasma Assisted Improvement of High Speed High Altitude Aerospace Vehicle Design", Proc. of the ＸＶ International Conference on Gas Discharges and their Applications, (2004), pp.1017-1023 S. A. Bozhenkov, S. M. Starikovskaia and A. Yu. Starikovskii : "Chemical Reactions and Ignition Control by Nanosecond High-Voltage Discharge", AIAA paper 2001-2949, (2001) I. M. Vince, C. Vovelle and F. J. Weinberg : "The Effect of Plasma Jet Ignition on Flame Propagation and Sooting at the Rich Limit of Flammability", Combustion and Flame, Vol.56, (1984), pp.105-112 I. M. Vince, F. J. Weinberg : "Hydrogen Atom Distribution in Pulsed Plasma Jet Igniters", Combustion and Flame, Vol.67, (1987), pp.259-264 村瀬, 小野, 花田, 仲原, 遠藤 : "プラズマジェット点火とパルスジェット点火による希薄混合気の燃焼促進", 機論B, Vol.58, No.546 (1992), pp.561-567 特開２００１−７１１４７号公報 特開平５−２２６０９６号公報 特開平１０−３１４９５２号公報

しかしながら、特許文献１乃至３に記載のような従来のプラズマ発生装置は、１００００Ｋ程度の高温でプラズマを発生させるため、複雑な冷却構造が必要となり、装置が大型になるという課題があった。また、電極に常時一定の電圧を印加するため、消費電力が３〜１０ｋＷと大きく、稼働時のコストが嵩むという課題があった。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、小型化が可能で、消費電力を小さくして稼働時のコストを低減することができるプラズマ発生装置およびプラズマ発生方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係るプラズマ発生装置は、プラズマトーチとガス供給部とパルス電源とを有し、前記プラズマトーチは互いに間隔を開けて設けられた陽極と陰極とを有し、前記ガス供給部は前記陽極と前記陰極との間に動作ガスを供給可能に設けられ、前記パルス電源は前記陽極および前記陰極に接続され、前記陽極と前記陰極との間にパルスアーク放電を発生させて前記動作ガスをプラズマ化するよう、前記陽極と前記陰極との間にパルス電圧を印加可能に設けられていることを、特徴とする。

本発明に係るプラズマ発生方法は、互いに間隔を開けて設けられたプラズマトーチの陽極と陰極との間に動作ガスを供給し、前記陽極と前記陰極との間にパルス電圧を印加してパルスアーク放電を発生させ、前記動作ガスをプラズマ化することを、特徴とする。

本発明に係るプラズマ発生装置およびプラズマ発生方法は、パルス電圧を印加することによりプラズマを発生させるため、常時一定の電圧を印加する場合に比べて、消費電力を小さくすることができ、比較的低温でプラズマを発生させることができる。消費電力を小さくすることができるため、稼働時のコストを低減することができる。また、比較的低温でプラズマを発生可能であるため、例えば動作ガスや外気などで冷却することができ、複雑な冷却構造が不要である。このため、小型化が可能であり、材料の耐熱性に対する対策も容易である。

なお、パルス電圧の印加とは、所定の周波数で電圧をパルス状に印加することである。また、パルスアーク放電とは、従来の連続放電とは異なり、パルス電圧を印加することにより、アーク放電が一定の周期で発生するものである。パルス電圧の高電圧時の電圧を高くすることにより、電子衝突が活発化し、動作ガスのプラズマ化により発生するラジカルの量を増やすことができる。また、パルス電圧のパルス幅を拡げることにより、ラジカルの量を増加させることができる。パルス電圧のパルス幅や周波数を変えることにより、消費電力を変化させることができる。発生したラジカルを、発生した熱で適度に加熱するため、ラジカルの寿命を延ばすことができる。こうして、活性化したラジカルを容易に発生させることができる。

本発明に係るプラズマ発生装置で、前記ガス供給部は前記動作ガスとして空気を供給可能であることが好ましい。本発明に係るプラズマ発生方法で、前記動作ガスは空気であることが好ましい。この場合、空気をプラズマ化して、活性化した酸素ラジカルや窒素ラジカルを発生させることができる。発生した酸素ラジカルや窒素ラジカルは、燃焼促進や滅菌、酸化膜や窒化膜の形成などに使用することができる。

本発明に係るプラズマ発生装置は、圧力容器を有し、前記圧力容器は内部の圧力を０．９乃至１．３ｋＰａに保持可能に設けられ、前記プラズマトーチは前記圧力容器の内部で前記動作ガスをプラズマ化するよう前記圧力容器に取り付けられ、前記パルス電源は前記パルスアーク放電のデューティー比が０．３乃至０．６になるよう前記パルス電圧を印加可能であってもよい。本発明に係るプラズマ発生方法は、前記パルスアーク放電のデューティー比が０．３乃至０．６になるよう前記パルス電圧を印可し、０．９乃至１．３ｋＰａの雰囲気圧力で前記動作ガスをプラズマ化してもよい。この場合、ラジカルを、特に多く発生させることができる。なお、動作ガスをプラズマ化させるときの雰囲気圧力を高めることにより、発生するラジカルの量を増加させることができる。また、パルスアーク放電のデューティー比とは、パルス電圧の一周期中に放電時間が占める時間の割合である。

本発明に係るプラズマ発生装置で、前記陽極は所定の厚みを有する板状を成し、中心部に厚み方向に貫通した円形のプラズマ噴出孔を有し、一方の面に前記プラズマ噴出孔に向かって厚みが薄くなるよう傾斜した傾斜面を有し、他方の面から前記傾斜面までの前記プラズマ噴出孔の深さが０．１乃至１．０ｍｍであり、前記陰極は棒状を成し、前記陽極の前記プラズマ噴出孔の内側面との間隔が０．６乃至１．２ｍｍになるよう、前記プラズマ噴出孔の内側に配置されていてもよい。この場合、ラジカルを、特に多く発生させることができる。なお、交換が容易になるよう、陽極および陰極は、着脱可能であってもよい。また、ラジカルの発生量を調節可能に、陽極と陰極との間隔を変更可能であってもよい。

本発明によれば、小型化が可能で、消費電力を小さくして稼働時のコストを低減することができるプラズマ発生装置およびプラズマ発生方法を提供することができる。

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図１２は、本発明の実施の形態のプラズマ発生装置およびプラズマ発生方法を示している。
図１に示すように、プラズマ発生装置１０は、プラズマトーチ１１とガス供給部１２とパルス電源１３と圧力容器１４とを有している。

図２に示すように、プラズマトーチ１１は、同軸型で、中心軸に対する回転体形状を成している。プラズマトーチ１１は、先端部１１ａの外径より後端部１１ｂの外径の方がやや大きく、さらに後端部１１ｂの外径より中間部１１ｃの外径の方が大きく形成されている。プラズマトーチ１１は、筒体２１と導電性円盤体２２と陽極２３と導電性柱状体２４と陰極２５とガス導入部２６とを有している。

筒体２１は、導電性を有し、円筒形状を成している。筒体２１は、先端部１１ａの外形を成し、中間部１１ｃに取り付けられている。導電性円盤体２２は、ドーナツ型の円盤形状を成し、中間部１１ｃに設けられている。導電性円盤体２２は、内部に筒体２１の後端が挿入されて固定されている。導電性円盤体２２は、中間部１１ｃの側方に突出した陽側接続端子２２ａを有している。図３に示すように、陽極２３は、銅の合金から成り、所定の厚みを有する円板形状を成している。陽極２３は、中心部に厚み方向に貫通した円形のプラズマ噴出孔２３ａを有し、一方の面に周囲からプラズマ噴出孔２３ａに向かって厚みが薄くなるよう傾斜した傾斜面２３ｂを有している。図２に示すように、陽極２３は、傾斜面２３ｂを筒体２１の内側に向けて、筒体２１の先端に着脱可能に取り付けられている。陽極２３は、陽側接続端子２２ａに電気的に接続されている。

導電性柱状体２４は、円柱形状を成し、後端部１１ｂに取り付けられている。導電性柱状体２４は、後端面に陰側接続端子２４ａを有している。陰極２５は、タングステンの合金から成り、断面が円形の細長い丸棒形状を成している。陰極２５は、先端部１１ａから後端部１１ｂにかけて設けられ、筒体２１の中心に配置されている。陰極２５は、先端が陽極２３の他方の面の位置になるよう、陽極２３のプラズマ噴出孔２３ａの内側に配置されている。陰極２５は、陽極２３のプラズマ噴出孔２３ａの内側面との間に間隔を開けて、後端で導電性柱状体２４に着脱可能に取り付けられている。陰極２５は、陰側接続端子２４ａに電気的に接続されている。

ガス導入部２６は、中間部１１ｃの後端側に向いた面に突出して設けられたガス接続部２６ａと、ガス接続部２６ａの先端に設けられたガス供給口２６ｂと、陰極２５の長さ方向に沿って陰極２５の側面周囲に設けられたガス流路２６ｃと、ガス供給口２６ｂとガス流路２６ｃとを連通する連通路２６ｄとを有している。ガス流路２６ｃは、陽極２３のプラズマ噴出孔２３ａの手前まで設けられている。ガス導入部２６は、ガス供給口２６ｂから供給された動作ガスを、連通路２６ｄからガス流路２６ｃを通して、陽極２３と陰極２５との間に供給可能になっている。

なお、プラズマトーチ１１は、動作ガスが流れることにより、陽極２３および陰極２５の冷却を行うようになっている。また、具体的な一例では、陽極２３のプラズマ噴出孔２３ａの内径が４ｍｍ、陰極２５の直径が２ｍｍであり、陽極２３と陰極２５との間隔が１ｍｍになっている。

図１に示すように、ガス供給部１２は、圧縮された動作ガスが充填されたボンベ２７と、ボンベ２７が排出する動作ガスの量を計測可能に設けられた体積流量計２８と、ボンベ２７とプラズマトーチ１１のガス接続部２６ａとを接続した供給管２９とを有している。ガス供給部１２は、ボンベ２７から排出する動作ガスの量を体積流量計２８により調整して、供給管２９を通してプラズマトーチ１１に供給し、陽極２３と陰極２５との間に動作ガスを供給可能になっている。なお、動作ガスは、空気である。

図１に示すように、パルス電源１３は、プラズマトーチ１１の陽側接続端子２２ａおよび陰側接続端子２４ａに接続され、陽極２３および陰極２５に電気的に接続されている。パルス電源１３は、陽極２３と陰極２５との間にパルス電圧を印加可能に設けられている。なお、パルス電圧の印加とは、図４（ａ）に示すように、所定の周波数で電圧をパルス状に印加することである。こうして、図４（ｂ）に示すように、パルス電源１３は、互いに間隔を開けて設けられた陽極２３と陰極２５との間に、アーク放電が一定の周期で発生するパルスアーク放電を発生可能になっている。これにより、パルス電源１３は、動作ガスの空気をプラズマ化可能になっている。

図４に示す一例では、パルス電圧の周波数は100 Hz、パルスアーク放電のデューティー比（duty比）は、0.2である。4kV程度の高電圧がパルス状に印加されることにより、陽極２３と陰極２５との間で絶縁破壊を生じ、10A程度の電流が流れている。なお、パルスアーク放電のデューティー比とは、パルス電圧の一周期中に放電時間が占める時間の割合である。パルス電圧およびパルスアーク放電電流は、図１に示すように、オシロスコープ５１により計測している。

図１に示すように、圧力容器１４は、アルミニウム製の容器本体３０と石英管３１とポンプ３２とを有している。石英管３１は、容器本体３０の上部に取り付けられ、容器本体３０の内部に連通している。ポンプ３２は、容器本体３０の下部に接続され、容器本体３０の内部の空気を排出したり、容器本体３０の内部に空気を供給したりして、容器本体３０の内部圧力を一定に調整可能になっている。圧力容器１４は、プラズマトーチ１１の先端部１１ａが石英管３１の内部に配置されるよう、石英管３１の上部にプラズマトーチ１１が取り付けられている。圧力容器１４は、石英管３１の上端にプラズマトーチ１１の中間部１１ｃが固定され、密閉されている。これにより、圧力容器１４は、その内部でプラズマトーチ１１が動作ガスをプラズマ化するようになっている。また、圧力容器１４は、内部の圧力を調整することにより、プラズマ発生時の雰囲気圧力を調節可能になっている。

本発明の実施の形態のプラズマ発生方法は、本発明の実施の形態のプラズマ発生装置１０により実施される。まず、互いに間隔を開けて設けられたプラズマトーチ１１の陽極２３と陰極２５との間に、ガス供給部１２により動作ガスの空気を供給する。パルス電源１３により、陽極２３と陰極２５との間にパルス電圧を印加してパルスアーク放電を発生させる。これにより、空気をプラズマ化して、活性化した酸素ラジカルや窒素ラジカルを発生させることができる。

本発明の実施の形態のプラズマ発生装置１０およびプラズマ発生方法は、パルス電圧を印加することによりプラズマを発生させるため、常時一定の電圧を印加する場合に比べて、消費電力を小さくすることができ、比較的低温でプラズマを発生させることができる。消費電力を小さくすることができるため、稼働時のコストを低減することができ、陽極２３および陰極２５の損耗を抑えることもできる。また、比較的低温でプラズマを発生可能であるため、動作ガスの流れにより冷却することができ、複雑な冷却構造が不要である。このため、小型化が可能であり、材料の耐熱性に対する対策も容易である。

パルス電圧の高電圧時の電圧を高くすることにより、電子衝突が活発化し、動作ガスのプラズマ化により発生するラジカルの量を増やすことができる。発生したラジカルを、発生した熱で適度に加熱するため、ラジカルの寿命を延ばすことができる。このように、活性化したラジカルを容易に発生させることができる。陽極２３および陰極２５が着脱可能であるため、交換が容易である。また、陽極２３や陰極２５を交換することにより、陽極２３と陰極２５との間隔を変更可能であり、ラジカルの発生量を調節可能である。

発生した酸素ラジカルや窒素ラジカルは、燃焼促進、ガスタービン燃焼による発電効率や熱効率の向上などのエネルギー効率促進、滅菌や殺菌、治療環境の向上などの医療関係、酸化膜や窒化膜の形成などの材料プロセスなどに使用することができる。

パルス電圧の周波数や、デューティー比（duty ratio）、雰囲気圧力などを変化させ、それぞれの条件の下での消費電力、生成した空気プラズマ流の分光計測、プラズマトーチ１１の下流部でのガス温度の計測を行った。なお、ガス供給部１２からの動作ガスの空気の流量は、Q = 1×10^-3 m³/minとなるように調整している。

［消費電力の計測］
パルス電圧の周波数（ｆ）を60Hzとして、異なる雰囲気圧力下で、パルスアーク放電電流のデューティー比（duty ratio）を変化させた場合におけるプラズマ発生装置１０の消費電力（Ｐ）を、図５（ａ）に示す。図５（ａ）に示すように、消費電力は、デューティー比に対してほぼ比例しているのが確認された。また、消費電力は、雰囲気圧力が変化しても、デューティー比に比例してほぼ等しい傾きで増加することも確認された。これにより、デューティー比に対する消費電力の増加分は、パルスアーク放電により流れる電流の増加が支配的であると考えられる。

パルスアーク放電電流のデューティー比（duty ratio）を0.2として、異なる雰囲気圧力下で、パルス電圧の周波数（ｆ）を変化させた場合におけるプラズマ発生装置１０の消費電力（Ｐ）を、図５（ｂ）に示す。図５（ｂ）に示すように、消費電力は、周波数に対しても増加することが確認された。しかし、デューティー比を変化させた場合とは異なり、周波数の増加に対する消費電力の変化率は、雰囲気圧力によって異なることも確認された。すなわち、低圧下においての変化率は小さく、高圧下での変化率は大きい。例えば、雰囲気圧力20kPaでは周波数を100Hzから1200Hzまで変化させても消費電力の増加分は80W程度であるが、120kPaでは100Hzから400Hzまでの変化に対して、約280Wもの増加が認められる。よって、20kPaと比較して、120kPaではパルス周波数に対する消費電力の増加率は約10倍となる。図５（ｂ）では、デューティー比を一定値0.2としているので、周波数の増加に対して消費電力が増加する主な要因は、絶縁破壊に要するエネルギーの増加であると考えられる。すなわち、高圧下では、低圧下と比較して、一回の絶縁破壊に対し、より大きな放電開始電圧を要するため、周波数の増加に対する消費電力の増加の傾きが大きくなると考えられる。

図５（ａ）および（ｂ）に示すように、パルス電圧の周波数（ｆ）が60〜1200Hz、パルスアーク放電電流のデューティー比（duty ratio）が0.1〜0.5、雰囲気圧力が20〜120kPaの範囲で、消費電力は100〜700Ｗであることが確認された。このように、本発明の実施の形態のプラズマ発生装置１０およびプラズマ発生方法によれば、3〜10ｋＷの消費電力の従来のプラズマ発生装置に比べて、消費電力を著しく小さくすることができる。

［空気プラズマ流のガス温度の計測］
図１に示すように、放電中のプラズマ噴出孔２３ａから下流中心軸上の１０ｍｍ（T1）、１５ｍｍ（T2）、２０ｍｍ（T3）、２５ｍｍ（T4）における、ガス温度を熱電対５２により計測した。ガス温度計測の際の放電時間は１０秒である。大気圧（雰囲気圧力Ｐ_０＝100kPa）において、パルス電圧の周波数（ｆ）を60Hzとして、パルスアーク放電電流のデューティー比（duty ratio）を変化させたときのガス温度（Ｔ）を、図６（ａ）に示す。大気圧（雰囲気圧力Ｐ_０＝100kPa）において、パルスアーク放電電流のデューティー比（duty ratio）を0.2として、パルス電圧の周波数（ｆ）を変化させたときのガス温度（Ｔ）を、図６（ｂ）に示す。パルス電圧の周波数（ｆ）を60Hz、パルスアーク放電電流のデューティー比（duty ratio）を0.2として、雰囲気圧力（Ｐ_０）を変化させたときのガス温度（Ｔ）を、図６（ｃ）に示す。

図６（ａ）に示すように、空気プラズマ流のガス温度は、デューティー比に伴い上昇しており、デューティー比が0.5のとき測定点T1において最高温度約700Kとなることが確認された。また、デューティー比に対するガス温度の上昇率が、デューティー比の増加に伴って大きくなることも確認された。また、図６（ｂ）および（ｃ）に示すように、いずれの測定点でも、周波数および雰囲気圧力に対しては変化しないことが確認された。このように、空気プラズマ流のガス温度は、周波数、雰囲気圧力にはよらず、デューティー比によってのみ決まる。デューティー比は、パルス放電全体におけるパルスアーク放電の時間の割合であるため、ガス温度の上昇はパルスアーク放電によって起こっていると考えられる。

図６（ａ）乃至（ｃ）に示すように、パルス電圧の周波数（ｆ）が60〜500Hz、パルスアーク放電電流のデューティー比（duty ratio）が0.1〜0.5、雰囲気圧力が20〜120kPaの範囲で、プラズマ噴出孔２３ａから下流１０〜２５ｍｍでの空気プラズマ流のガス温度は、300〜700Ｋであることが確認された。このため、発生した空気プラズマ流を、熱源として利用可能であると考えられる。

［空気プラズマ流の分光計測］
図１に示すように、超高感度瞬間マルチ測光システム５３を使用して、励起原子や励起分子などのラジカルの分光計測を行った。計測は、プラズマ噴出孔２３ａより下流の石英管３１の位置で行った。測定波長は、３３０〜１１００ｎｍの範囲である。大気圧において、パルス電圧の周波数（ｆ）を60Hz、パルスアーク放電電流のデューティー比（duty ratio）を0.2としたときの分光計測結果を、励起原子および励起分子の波長とともに図７に示す。

図７に示すように、７００〜９００ｎｍに、ＮＩ（746.8、818.8、868.3ｎｍ）やＯＩ（777.3、822.2、844.6、926.0ｎｍ）からの発光が確認された。また、陽極２３の材料であるＣｕＩ（510.5、515.3、521.8、578.2、793.3、809.3ｎｍ）からの発光も確認された。また、低波長域では、陰極２５の材料であるＷの発光も確認された。このように、本発明の実施の形態のプラズマ発生装置１０およびプラズマ発生方法によれば、空気をプラズマ化して、活性化した酸素ラジカルや窒素ラジカルを発生させることができる。

［ラジカル発光強度とデューティー比との関係］
パルス電圧の周波数（ｆ）を60Hzとして、異なる雰囲気圧力下で、パルスアーク放電電流のデューティー比（duty ratio）を変化させたときの、酸素ラジカル（波長777nm）の発光強度（Intensity）を図８（ａ）に、窒素ラジカル（波長868nm）の発光強度（Intensity）を図８（ｂ）にそれぞれ示す。図８（ａ）および（ｂ）に示すように、発光強度は、デューティー比の増加とともに大きくなることが確認された。発光強度の増加は、生成されるラジカル種の数密度に比例すると考えられるので、デューティー比を大きくすることで、生成されるラジカル種の数密度は増加する。また、デューティー比に対する発光強度の増加率は一定ではなく、デューティー比が大きくなるほど増加率も大きくなることも確認された。特に、デューティー比が0.4および0.5、かつ雰囲気圧力が100kPaおよび120kPaのとき、酸素ラジカルおよび窒素ラジカルが多く発生している。

［ラジカル発光強度と周波数との関係］
パルスアーク放電電流のデューティー比（duty ratio）を0.2として、異なる雰囲気圧力下で、パルス電圧の周波数（ｆ）を変化させたときの、酸素ラジカル（波長777nm）の発光強度（Intensity）を図９（ａ）に、窒素ラジカル（波長868nm）の発光強度（Intensity）を図９（ｂ）にそれぞれ示す。図９（ａ）および（ｂ）に示すように、発光強度の周波数依存性は小さいことが確認された。なお、発光強度は、雰囲気圧力20kPaで、周波数の増加に伴って減少している。これは、電子衝突反応による電離や解離は生じているものの、空気の数密度が小さいため粒子衝突が少なく、励起には至らない粒子が多く存在しているためであると考えられる。

［ラジカル発光強度と消費電力との関係］
酸素ラジカル（波長777nm）の発光強度（Intensity）と消費電力との関係を図１０に、窒素ラジカル（波長868nm）の発光強度（Intensity）と消費電力との関係を図１１にそれぞれ示す。図１０および図１１ともに、(a)はパルス電圧の周波数（ｆ）を60Hzとして、パルスアーク放電電流のデューティー比（duty ratio）を変化させた場合、(b)はデューティー比を0.2として、周波数を変化させた場合を示している。図１０（ａ）および図１１（ａ）に示すように、デューティー比を変化させた場合、生成される励起した粒子の数密度は、いずれの雰囲気圧力においても、消費電力に対して指数関数的に増加することが確認された。これに対し、図１０（ｂ）および図１１（ｂ）に示すように、周波数を変化させた場合、生成される励起した粒子の数密度は、いずれの雰囲気圧力においても、消費電力に対する依存性は小さいことが確認された。

［ラジカル発光強度と陽極の形状との関係］
図３に示すように、陽極２３のプラズマ噴出孔２３ａの内径（Ｄ）、または、陽極２３の他方の面から傾斜面２３ｂまでのプラズマ噴出孔２３ａの深さ（ｈ）を変化させたときの、酸素ラジカル（波長777nm）の発光強度の計測を行った。大気圧において、パルス電圧の周波数（ｆ）を60Hz、プラズマ噴出孔２３ａの深さ（ｈ）を０．５ｍｍとして、異なるプラズマ噴出孔２３ａの内径（Ｄ）で、パルスアーク放電電流のデューティー比（duty ratio）を変化させたときの酸素ラジカル（波長777nm）の発光強度（Intensity）を、図１２（ａ）に示す。また、大気圧において、周波数（ｆ）を60Hz、プラズマ噴出孔２３ａの内径（Ｄ）を４．０ｍｍとして、異なるプラズマ噴出孔２３ａの深さ（ｈ）で、デューティー比（duty ratio）を変化させたときの酸素ラジカル（波長777nm）の発光強度（Intensity）を、図１２（ｂ）に示す。大気圧において、デューティー比（duty ratio）を0.2、プラズマ噴出孔２３ａの深さ（ｈ）を１．０ｍｍとして、異なるプラズマ噴出孔２３ａの内径（Ｄ）で、パルス電圧の周波数（ｆ）を変化させたときの酸素ラジカル（波長777nm）の発光強度（Intensity）を、図１２（ｃ）に示す。なお、陰極２５の直径は、２ｍｍである。

図１２（ａ）に示すように、いずれのプラズマ噴出孔２３ａの内径（Ｄ）でも、酸素ラジカルの発光強度はデューティー比に比例することが確認された。また、プラズマ噴出孔２３ａの内径（Ｄ）は、いずれのデューティー比であっても、３．０ｍｍのときより、３．５ｍｍおよび４．０ｍｍのときの方が酸素ラジカルの発光強度が大きいことが確認された。このように、プラズマ噴出孔２３ａの内径（Ｄ）が３．５ｍｍおよび４．０ｍｍ、すなわち陰極２５とプラズマ噴出孔２３ａの内側面との間隔が０．７５ｍｍおよび１．０ｍｍのときに、特に酸素ラジカルが多く発生している。

図１２（ｂ）に示すように、いずれのプラズマ噴出孔２３ａの深さ（ｈ）でも、酸素ラジカルの発光強度はデューティー比に比例することが確認された。また、プラズマ噴出孔２３ａの深さ（ｈ）は、大きな差は認められないが、０．５ｍｍのときに酸素ラジカルの発光強度が大きいことが確認された。図１２（ｃ）に示すように、いずれのプラズマ噴出孔２３ａの内径（Ｄ）でも、酸素ラジカルの発光強度の周波数依存性は小さいことが確認された。

本発明の実施の形態のプラズマ発生装置を示す全体構成図である。 図１に示すプラズマ発生装置のプラズマトーチを示す（ａ）断面図、（ｂ）底面図である。 図１に示すプラズマ発生装置のプラズマトーチの陽極を示す（ａ）断面図、（ｂ）正面図である。 本発明の実施の形態のプラズマ発生装置およびプラズマ発生方法の（ａ）100Hzのパルス電圧の波形を示すグラフ、（ｂ）そのときのパルスアーク放電電流（デューティー比duty ratio＝0.2）の波形を示すグラフである。 本発明の実施の形態のプラズマ発生装置およびプラズマ発生方法の（ａ）パルス電圧が60Hzのときの、異なる雰囲気圧力下でのパルスアーク放電電流のデューティー比（duty ratio）と消費電力（Ｐ）との関係を示すグラフ、（ｂ）パルスアーク放電電流のデューティー比（duty ratio）が0.2のときの、異なる雰囲気圧力下でのパルス電圧の周波数（ｆ）と消費電力（Ｐ）との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態のプラズマ発生装置およびプラズマ発生方法の（ａ）パルス電圧が60Hz、雰囲気圧力（Ｐ_０）が100kPa（大気圧）のときの、パルスアーク放電電流のデューティー比（duty ratio）と空気プラズマ流のガス温度（Ｔ）との関係を示すグラフ、（ｂ）パルスアーク放電電流のデューティー比（duty ratio）が0.2、雰囲気圧力（Ｐ_０）が100kPa（大気圧）のときの、パルス電圧の周波数（ｆ）と空気プラズマ流のガス温度（Ｔ）との関係を示すグラフ、（ｃ）パルス電圧が60Hz、パルスアーク放電電流のデューティー比（duty ratio）が0.2のときの、雰囲気圧力（Ｐ_０）と空気プラズマ流のガス温度（Ｔ）との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態のプラズマ発生装置およびプラズマ発生方法の（ａ）パルス電圧が60Hz、パルスアーク放電電流のデューティー比（duty ratio）が0.2のときの、大気圧下での、空気プラズマ流の分光計測結果を示すグラフである。 本発明の実施の形態のプラズマ発生装置およびプラズマ発生方法のパルス電圧が60Hzのときの、異なる雰囲気圧力下でのパルスアーク放電電流のデューティー比（duty ratio）と（ａ）酸素ラジカル（波長777nm）の発光強度（Intensity）との関係を示すグラフ、（ｂ）窒素ラジカル（波長868nm）の発光強度（Intensity）との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態のプラズマ発生装置およびプラズマ発生方法のパルスアーク放電電流のデューティー比（duty ratio）が0.2のときの、異なる雰囲気圧力下でのパルス電圧の周波数（ｆ）と（ａ）酸素ラジカル（波長777nm）の発光強度（Intensity）との関係を示すグラフ、（ｂ）窒素ラジカル（波長868nm）の発光強度（Intensity）との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態のプラズマ発生装置およびプラズマ発生方法の、異なる雰囲気圧力下での酸素ラジカル（波長777nm）の発光強度（Intensity）と消費電力（Ｐ）との関係を示す（ａ）パルス電圧が60Hzのときのグラフ、（ｂ）パルスアーク放電電流のデューティー比（duty ratio）が0.2のときのグラフである。 本発明の実施の形態のプラズマ発生装置およびプラズマ発生方法の、異なる雰囲気圧力下での窒素ラジカル（波長868nm）の発光強度（Intensity）と消費電力（Ｐ）との関係を示す（ａ）パルス電圧が60Hzのときのグラフ、（ｂ）パルスアーク放電電流のデューティー比（duty ratio）が0.2のときのグラフである。 本発明の実施の形態のプラズマ発生装置およびプラズマ発生方法の（ａ）パルス電圧が60Hz、プラズマ噴出孔の深さ（ｈ）が0.5mmのときの、異なるプラズマ噴出孔の内径（Ｄ）でのパルスアーク放電電流のデューティー比（duty ratio）と酸素ラジカル（波長777nm）の発光強度（Intensity）との関係を示すグラフ、（ｂ）パルス電圧が60Hz、プラズマ噴出孔の内径（Ｄ）が4.0mmのときの、異なるプラズマ噴出孔の深さ（ｈ）でのパルスアーク放電電流のデューティー比（duty ratio）と酸素ラジカル（波長777nm）の発光強度（Intensity）との関係を示すグラフ、（ｃ）パルスアーク放電電流のデューティー比（duty ratio）が0.2、プラズマ噴出孔の深さ（ｈ）が1.0mmのときの、異なるプラズマ噴出孔の内径（Ｄ）でのパルス電圧の周波数（ｆ）と酸素ラジカル（波長777nm）の発光強度（Intensity）との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ プラズマ発生装置
１１ プラズマトーチ
１２ ガス供給部
１３ パルス電源
１４ 圧力容器
２１ 筒体
２２ 導電性円盤体
２３ 陽極
２４ 導電性柱状体
２５ 陰極
２６ ガス導入部
２７ ボンベ
２８ 体積流量計
２９ 供給管
３０ 容器本体
３１ 石英管
３２ ポンプ
５１ オシロスコープ
５２ 熱電対
５３ 超高感度瞬間マルチ測光システム

Claims (7)

1. プラズマトーチとガス供給部とパルス電源とを有し、
   前記プラズマトーチは互いに間隔を開けて設けられた陽極と陰極とを有し、
   前記ガス供給部は前記陽極と前記陰極との間に動作ガスを供給可能に設けられ、
   前記パルス電源は前記陽極および前記陰極に接続され、前記陽極と前記陰極との間にパルスアーク放電を発生させて前記動作ガスをプラズマ化するよう、前記陽極と前記陰極との間にパルス電圧を印加可能に設けられていることを、
   特徴とするプラズマ発生装置。
2. 前記ガス供給部は前記動作ガスとして空気を供給可能であることを、特徴とする請求項１記載のプラズマ発生装置。
3. 圧力容器を有し、
   前記圧力容器は内部の圧力を０．９乃至１．３ｋＰａに保持可能に設けられ、
   前記プラズマトーチは前記圧力容器の内部で前記動作ガスをプラズマ化するよう前記圧力容器に取り付けられ、
   前記パルス電源は前記パルスアーク放電のデューティー比が０．３乃至０．６になるよう前記パルス電圧を印加可能であることを、
   特徴とする請求項１または２記載のプラズマ発生装置。
4. 前記陽極は所定の厚みを有する板状を成し、中心部に厚み方向に貫通した円形のプラズマ噴出孔を有し、一方の面に前記プラズマ噴出孔に向かって厚みが薄くなるよう傾斜した傾斜面を有し、他方の面から前記傾斜面までの前記プラズマ噴出孔の深さが０．１乃至１．０ｍｍであり、
   前記陰極は棒状を成し、前記陽極の前記プラズマ噴出孔の内側面との間隔が０．６乃至１．２ｍｍになるよう、前記プラズマ噴出孔の内側に配置されていることを、
   特徴とする請求項１、２または３記載のプラズマ発生装置。
5. 互いに間隔を開けて設けられたプラズマトーチの陽極と陰極との間に動作ガスを供給し、前記陽極と前記陰極との間にパルス電圧を印加してパルスアーク放電を発生させ、前記動作ガスをプラズマ化することを、特徴とするプラズマ発生方法。
6. 前記動作ガスは空気であることを、特徴とする請求項５記載のプラズマ発生方法。
7. 前記パルスアーク放電のデューティー比が０．３乃至０．６になるよう前記パルス電圧を印可し、０．９乃至１．３ｋＰａの雰囲気圧力で前記動作ガスをプラズマ化することを、特徴とする請求項５または６記載のプラズマ発生方法。

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