JP2008307489A - プラズマリアクタおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】処理対象ガスに含有される水分を効率的に除去でき、かつ、広範囲に安定して放電することができるプラズマリアクタを提供する。
【解決手段】ガス導入口１Ｃから導入される空気に含まれた水分は、筒状陰極２の内周面およびその全面に多重の螺旋状に配列された複数の貫通穴２Ａによる複数の凹部に衝突して水滴化され、各凹部に捕捉された水滴が順次流下することにより、導入される空気に含まれた水分が効率的に除去される。このため、筒状陰極２の内周面に水分が局所的に付着することに起因する電界の集中による異常放電が防止されると共に、棒状陽極３から筒状陰極２の内周面の全面に設けられている複数の凹部の開口縁部の円環状の突起２Ｂに向けて広範囲に安定してコロナ放電される。その結果、円筒容器１内には高密度のプラズマ（低温プラズマ）が発生し、高濃度のオゾンが効率良く生成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、オゾンの生成や排ガスの浄化に使用されるプラズマリアクタおよびその製造方法に関するものである。

処理対象ガスをプラズマ化することにより、例えばオゾンを生成し、あるいは排ガスを浄化するようにしたプラズマリアクタが従来一般に知られている。その一例として、特許文献１には、円筒状の外周電極と、この外周電極に囲まれた空間内に挿通された棒状の内部電極との間に高電圧を印加することにより、外周電極に囲まれた空間内に供給される排ガスを浄化するようにしたプラズマリアクタが記載されている。

また、プラズマリアクタに供給される処理対象ガスから水分を除去するのに適用可能と思われる気液分離器が例えば特許文献２に記載されている。この気液分離器は、円筒容器の上部より接線方向に気液混合ガスを導入して旋回させ、この気液混合ガスに含まれる水分を遠心力によって円筒容器の内壁面に衝突させるように構成されており、円筒容器の内壁面には、気液混合ガスの旋回方向と同方向に排水用の一条の螺旋溝が凹設されている。
特開２００５−３０７７５４号公報 特開２００３−３１１１８５号公報

ところで、特許文献２に記載のような気液分離器を特許文献１に記載のようなプラズマリアクタの円筒容器として適用する場合、円筒状の外周電極の内壁面には一条の螺旋溝が凹設されることとなる。このため、棒状の内部電極から円筒状の外周電極に向かって放電される際には、一条の螺旋溝に電界が集中して放電領域が狭くなり、その結果、プラズマの密度が低密度となることが予測される。

また、処理対象ガスから除去された水分が円筒状の外周電極の内壁面に局所的に付着することが予測され、この場合には、棒状の内部電極から円筒状の外周電極の内周面に局所的に付着した水分に向かって電界が集中するという異常放電が発生する。従って、この場合にも高密度のプラズマ（低温プラズマ）を発生させることができないことが懸念される。

このような技術的背景を前提とすると、処理対象ガスとして多量の水分が含まれている空気をプラズマ化してオゾンを生成する場合には、高濃度のオゾンを効率良く生成することができない虞がある。同様に、処理対象ガスとして多量の水分が含まれている排ガスをプラズマ化して浄化する場合には、排ガスを効率良く浄化することができない虞がある。

そこで、本発明は、処理対象ガスに含有される水分を効率的に除去でき、かつ、広範囲に安定して放電することができるプラズマリアクタを提供することを課題とする。

本発明に係るプラズマリアクタは、処理対象ガスが旋回して導入される円筒容器と、この円筒容器の内壁面に沿う筒状陰極と、この筒状陰極の中心部に同心状に配置される棒状陽極とを備え、この棒状陽極と筒状陰極との間で放電を行うプラズマリアクタであって、筒状陰極の内周面には、その全面に複数の凹部が螺旋状に配列されて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リアクタでは、処理対象ガスが円筒容器内に導入されて流通する過程で棒状陽極から筒状陰極に放電されることにより、処理対象ガスがプラズマ化されて円筒容器内にプラズマ（低温プラズマ）が発生する。

その際、処理対象ガスに含有される水分は、遠心力により筒状陰極の内周面およびその全面に螺旋状に配列されて設けられている複数の凹部に衝突し、急速に結合して水滴化される。そして、この水滴が各凹部に捕捉されて順次大きく成長し、やがて各凹部内から順次流下することにより、処理対象ガスに含有される水分が効率的に除去される。

こうして、筒状陰極の内周面に水分が局所的に付着することがなくなるため、電界の集中に起因する異常放電が防止されると共に、棒状陽極から筒状陰極の内周面の全域に設けられている複数の凹部の開口縁部に向けて広範囲に安定して放電される。

ここで、本発明のプラズマリアクタは、円筒容器の壁部が２層構造とされており、この壁部の内層には、複数の凹部を構成するための複数の貫通穴が形成されているものとすることができる。この場合、内層用の平板に複数の貫通穴をパンチング加工により形成し、この内層用の平板を円筒状に加工することで複数の凹部を容易に形成することができる。

また、本発明のプラズマリアクタにおいて、複数の凹部の開口縁部にそれぞれ突起が形成されていると、棒状陽極から各凹部の開口縁部の突起に向かって広範囲に確実に放電されるので好ましい。なお、これらの突起は、内層用の平板に複数の貫通穴をパンチング加工により形成し、この内層用の平板を円筒状に加工する際に、パンチング加工により各貫通孔の縁部に形成されるバリが内周面に突出するよう円筒状に加工することで、そのバリによって容易に形成することができる。

さらに、本発明のプラズマリアクタにおいて、複数の凹部の正面形状がそれぞれ倒立の涙滴（ティアドロップ）形状であると、各凹部内に溜まった水滴が各凹部のすぼんだ下部から容易に流下するので好ましい。

ここで、本発明に係るプラズマリアクタの製造方法は、円筒容器の壁部が２層構造とされているプラズマリアクタを対象とし、その壁部の内層を製造するに当たり、内層用の平板に複数の貫通穴をパンチング加工により形成し、このパンチング加工により各貫通孔の縁部に形成されるバリが突起として内周面に突出するよう内層用の平板を円筒状に加工することを特徴とする。

本発明に係るプラズマリアクタによれば、筒状陰極の内周面の全域に螺旋状に配列されて設けられている複数の凹部により、処理対象ガスに含有される水分を効率的に除去することができる。その結果、筒状陰極の内周面に水分が局所的に付着することに起因する異常放電を防止することができる。また、棒状陽極から筒状陰極の内周面の全域に設けられている複数の凹部の開口縁部に向けて広範囲に安定して放電することができる。その結果、高密度のプラズマ（低温プラズマ）を発生させることができる。

以下、図面を参照して本発明に係るプラズマリアクタの最良の実施形態を説明する。ここで、参照する図面において、図１は一実施形態に係るプラズマリアクタの構造を模式的に示す縦断面図、図２は図１に示した円筒容器のガス導入口部分の横断面図である。

一実施形態に係るプラズマリアクタは、例えば空気からオゾンを生成するために使用されるものであって、図１に示すように、処理対象ガスである空気が流通する円筒容器１と、円筒容器１の壁部１Ａの内壁面に沿って配置された筒状陰極２と、筒状陰極２の中心部に同心状に配置された棒状陽極３とを備えている。

円筒容器１は、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）などの金属管で筒状の壁部１Ａが構成されており、その下端部は絶縁材料からなる底板４で塞がれている。この底板４には、円筒容器１に溜まった水を排水するためのドレンプラグ５が付設されている。円筒容器１の壁部１Ａの上端には、小口径のガス導出口１Ｂが連続して形成されており、このガス導出口１Ｂの側方にはガス導入口１Ｃが形成されている。なお、この円筒容器１の外径は、２０ｍｍ程度である。

ガス導入口１Ｃは、円筒容器１の壁部１Ａの内壁面に向かって緩く下降傾斜しており、しかも、図２に示すように、円筒容器１の壁部１Ａの接線方向に沿って形成されている。このため、図示しないコンプレッサ等により圧送されて図１の太線矢印のようにガス導入口１Ｃに導入される空気は、円筒容器１内に配置された筒状陰極２の内周面に沿う旋回流となって円筒容器１内を下降し、その後、棒状陽極３の周囲の中央部を上昇して白抜き矢印のようにガス導出口１Ｂから送り出される。

筒状陰極２は、円筒容器１と同種のステンレス鋼（ＳＵＳ）などの金属板で構成されており、円筒容器１の壁部１Ａの内壁面にスポット溶接などの手段で接合されている。これにより、円筒容器１は、その壁部１Ａを外層とし、筒状陰極２を内層とする２層構造とされている。

ここで、筒状陰極２には、その全面にわたって多数の貫通穴２Ａが形成されている。これらの貫通穴２Ａは、多重の螺旋状に配列された円形穴であり、図３に示すように円筒容器１の壁部１Ａの内壁面を底面とする多数の凹部を構成している。すなわち、筒状陰極２の内周面には多数の凹部が開口されており、これらの凹部は、ガス導入口１Ｃから円筒容器１内に導入される空気（処理対象ガス）の旋回流に沿う多重の螺旋状に配列されている。

筒状陰極２の内周面に開口する多数の凹部の開口縁部には、それぞれ円環状の突起２Ｂが形成されている（図３参照）。この円環状の突起２Ｂは、筒状陰極２に多数の貫通穴２Ａを形成する際に同時に形成されるものである。そのため、筒状陰極２は、平板状の金属板にパンチング加工によって多数の貫通穴２Ａを形成し、このパンチング加工により各貫通穴２Ａの縁部に形成されるバリが円環状の突起２Ｂとして内周面に突出するよう金属板を円筒状に加工することで製造される。

棒状陽極３は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）やタングステン（Ｗ）などの電極材料からなる。この棒状陽極３は、下端部が底板４を貫通してこれに嵌合支持されており、筒状陰極２の中心部に同心状に配置されている。この棒状陽極３の上端部はガス導出口１Ｂ内に臨んでおり、棒状陽極３の下端部にはパルス電源６のプラス側が接続されている。

パルス電源５は、例えば２〜３万Ｖ程度の電圧を１００Ｈｚのパルス電圧として棒状陽極３に印加するものであり、そのマイナス側は、筒状陰極２に接合されて電気的に導通された円筒容器１の壁部１Ａに接続されている。

以上のように構成された一実施形態のプラズマリアクタでは、処理対象ガスである空気からオゾンを生成するため、図示しないコンプレッサ等により圧送される空気が図１の太線矢印のようにガス導入口１Ｃに導入される。すると、導入された空気は、円筒容器１内に配置された筒状陰極２の内周面に沿う旋回流となって円筒容器１内を下降し、その後、上昇流となって円筒容器１内に上昇する。

このようにガス導入口１Ｃから導入された空気が円筒容器１内を流通する過程で、パルス電源６から棒状陽極３に例えば２〜３万Ｖ程度の１００Ｈｚのパルス電圧が印加される。これにより、棒状陽極３から筒状陰極２に向かう放電（コロナ放電）が発生し、円筒容器１内を流通する空気がプラズマ化される。そして、このプラズマ（低温プラズマ）の発生により、円筒容器１内を流通する空気中の酸素分子がイオン化されてオゾンが生成され、このオゾンが図１の白抜き矢印のようにガス導出口１Ｂから送り出される。

ここで、ガス導入口１Ｃから導入された空気が筒状陰極２の内周面に沿って旋回する際、その空気中に含有されている水分は、遠心力により筒状陰極２の内周面およびその内周面に開口する多数の貫通穴２Ａによる各凹部に衝突する。そして、衝突した水分は急速に結合して水滴化され、この水滴は筒状陰極２の内周面に開口する多数の凹部に捕捉される。このため、水滴が筒状陰極２の内周面に局所的に付着することがなくなる。

筒状陰極２の内周面の各凹部に捕捉された水滴は順次大きく成長する。そして、この水滴に作用する重力よりも円筒容器１内を上昇する空気流により水滴が受ける上向きの力が大きくなり、かつ、この上向きの力が水滴の表面張力よりも大きくなると、大きく成長した水滴が剪断されて各凹部から順次流下する。

こうして、筒状陰極２の内周面に開口する各凹部に水滴が順次捕捉され、各凹部から順次流下することにより、円筒容器１内を流通する空気に含有されていた水分が効率的に除去される。なお、各凹部から順次流下する水滴により円筒容器１の底板４上に溜まった除去水は、ドレンプラグ５の開放により円筒容器１の外部に適宜排出される。

このように、一実施形態のプラズマリアクタにおいては、円筒容器１内を流通する空気に含有されていた水分が効率的に除去され、筒状陰極２の内周面に水分が局所的に付着することがないため、従来のように棒状陽極３から筒状陰極２の内周面に局所的に付着した水分に向かって電界が集中することがなく、このような電解の集中に起因する異常放電が防止される。

そして、一実施形態のプラズマリアクタでは、棒状陽極３から筒状陰極２の内周面の全域に開口する多数の凹部の開口縁部に向けて、すなわち、棒状陽極３から多数の凹部の開口縁部に形成された多数の円環状の突起２Ｂに向けて広範囲に安定して放電（コロナ放電）されるため、円筒容器１内には高密度のプラズマ（低温プラズマ）が発生し、高濃度のオゾンが効率良く生成される。

すなわち、一実施形態に係るプラズマリアクタによれば、円筒容器１内を流通する空気に含有されていた水分を効率的に除去することができるため、筒状陰極２の内周面に水分が局所的に付着することに起因する異常放電を防止することができる。そして、棒状陽極３から筒状陰極２の内周面の全域に向けて広範囲に安定して放電（コロナ放電）することができるため、高密度のプラズマ（低温プラズマ）を発生させて高濃度のオゾンを効率良く生成することができる。この場合、生成されたオゾンが円筒容器１内を流通する空気中の水分に溶解してオゾン濃度が低下するという事態も回避することができる。

一方、一実施形態に係るプラズマリアクタでは、円筒容器１の内周面に多数の凹部を形成する手段として、円筒容器１の壁部を２層構造とすると共に、その内層を構成する筒状陰極２を製造する方法として、平板状の金属板にパンチング加工によって多数の貫通穴２Ａを形成し、このパンチング加工により各貫通穴２Ａの縁部に形成されるバリが円環状の突起２Ｂとして内周面に突出するよう金属板を円筒状に加工する方法を採用している。このため、円筒容器１の内周面に多数の凹部を安価に容易に形成することができ、しかも、多数の凹部の開口縁部に円環状の突起２Ｂを安価に容易に形成することができる。

本発明に係るプラズマリアクタは、前述した一実施形態に限定されるものではない。例えば、図１に示した各貫通穴２Ａの直径（各凹部の直径）は、ガス導入口１Ｃから導入される空気の流量に応じて適宜変更することができる。この場合、各貫通穴２Ａの直径（各凹部の直径）は、図４のグラフに示すように、導入される空気流量の増加に応じて増大させる。

また、各貫通穴２Ａの正面形状（各凹部の正面形状）は、図１に示したような円形に限らず、楕円形や四角形、あるいは逆三角形などの適宜の正面形状に変更することができる。例えば、図５に示すように、各貫通穴２Ａの正面形状（各凹部の正面形状）は、下部がすぼまった倒立の涙滴（ティアドロップ）形状に変更することができる。この場合、倒立の涙滴（ティアドロップ）形状の各凹部内に捕捉された水滴は、迅速に大きく成長し、各凹部の下部のすぼまった部位から容易に流下するのでので好ましい。

さらに、図１に示した筒状陰極２を省略して円筒容器１の壁部１Ａを１層構造とし、この壁部１Ａの内壁面に多数の凹部を形成してもよい。この場合、多数の凹部は、円筒容器１の材料となる板材に予め冷間圧延加工することで形成することができる。

なお、以上説明した一実施形態における多数の凹部やその変形例としての多数の凹部は、多数の凸部に変更することも可能である。この場合、ガス導入口１Ｃから導入された空気が筒状陰極２の内周面に沿って旋回する際、その空気中に含有されている水分は、多数の凹部に衝突して水滴化されることにより除去される。

ここで、一実施形態のプラズマリアクタは、処理対象ガスを空気から排ガスに変更することで、排ガスを浄化することができる。この場合、円筒容器１内を流通する排ガスがプラズマ化されることにより、排ガス中の一酸化窒素（ＮＯ）が二酸化窒素（ＮＯ_２）に変換され、さらに窒素分子（Ｎ_２）と酸素分子（Ｏ_２）に変換される。

本発明の一実施形態に係るプラズマリアクタの構造を模式的に示す縦断面図である。 図１に示した円筒容器のガス導入口部分の横断面図である。 図１に示した各凹部の拡大縦断面図ある。 図１に示した円筒容器内を流通する処理対象ガスの流量と図３に示した凹部の直径との関係を示すグラフである。 図２に示した凹部の正面形状の変形例を示す拡大正面図である。

符号の説明

１…円筒容器、１Ａ…壁部、１Ｂ…ガス導出口、１Ｃ…ガス導入口、２…筒状陰極、２Ａ…貫通穴、２Ｂ…円環状の突起、３…棒状陽極、４…底板、５…ドレンプラグ、６…パルス電源。

Claims (5)

1. 処理対象ガスが旋回して導入される円筒容器と、この円筒容器の内壁面に沿う筒状陰極と、この筒状陰極の中心部に同心状に配置される棒状陽極とを備え、この棒状陽極と前記筒状陰極との間で放電を行うプラズマリアクタであって、
   前記筒状陰極の内周面には、その全面に複数の凹部が螺旋状に配列されて設けられていることを特徴とするプラズマリアクタ。
2. 前記円筒容器の壁部が２層構造とされており、この壁部の内層には、前記複数の凹部を構成するための複数の貫通穴が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマリアクタ。
3. 前記複数の凹部の開口縁部にそれぞれ突起が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマリアクタ。
4. 前記複数の凹部の正面形状がそれぞれ倒立の涙滴形状であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のプラズマリアクタ。
5. 前記壁部の内層を製造するに当たり、内層用の平板に前記複数の貫通穴をパンチング加工により形成し、このパンチング加工により各貫通孔の縁部に形成されるバリが突起として内周面に突出するよう前記内層用の平板を円筒状に加工することを特徴とする請求項２〜４に記載されたプラズマリアクタの製造方法。

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