JP2009076435A - プラズマヘッドおよびこれを用いたプラズマ放電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内部電極の磨耗および断裂を防止することができ、内部電極の寿命が延長され、イオン分離による汚染が避けられるプラズマヘッドおよびこのプラズマヘッドを用いたプラズマ放電装置を提供する。
【解決手段】プラズマ放電装置２０において、プラズマヘッド２２は、内部に形成されたチャンバ２２１１を有する外部電極２２１、チャンバ２２１１内部に配置された内部電極２２２、および内部電極２２２内に配置された流れ案内構造２２３２を備え、外部電極２２１および内部電極２２２はそれぞれ電源２１に接続されており、流れ案内構造２２３２は内部電極２２２内に作用流体を導入する入口２２３１、および外部電極２２１のチャンバ２２１１に通じて、作用流体を外部電極２２１のチャンバ２２１１内に流入するように案内する少なくとも1つの出口を有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、一般的に、プラズマヘッドおよびこれを用いたプラズマ放電装置に関し、より具体的には、内部電極内に作用流体を冷却流体として導入する、その中に配置された冷却チャンネルを有する内部電極を備えるプラズマヘッドおよびこのプラズマヘッドを用いたプラズマ放電装置に関する。

大気圧プラズマは、１気圧前後で生成されるプラズマである。装置の費用の観点から、高価で大型の真空装置は必要とされない。また、作業過程の観点から、作業は、真空チャンバによって中断および制限されることなく行われなければならない。これらすべてが、効果的に製造費用を減じることに役立つ。

大気圧プラズマは、気体成分のイオン化分解を起こすように、大気圧環境下で２つの電極間に電界を印加することによって生成される。プラズマの種々の形成原理により様々なプラズマ源が存在し、それらはコロナ放電、誘導体遮断放電、プラズマジェットおよびプラズマトーチに分類することができる。プラズマ作用中、内部電極は高い入力電圧およびプラズマの極めて高い温度により損傷を受けることがあり、その結果、内部電極の寿命は制限され、電極のイオンは分離されることがあり、したがって汚染の原因となる。

さらに、プラズマを生成するために、連続的に中性成分をイオン化するために外部エネルギーが加えられる。したがって、気体の種類、電極の間隔および作用圧力に応じて、大きな分解電圧が必要とされる。図１を参照されたい。図１は、プラズマが大気圧環境下で１０００ボルトもの高い作用電圧を印加することにより生成されることを示す。図２では、作用圧力、気体温度Ｔｇおよび電子温度Ｔｅの関係を示す。通常の低圧環境下では、電子および中性原子が中間自由通路内で衝突する可能性は低く、エネルギーが効果的に伝達されることはできない。一方、電子温度Ｔｅは、数千ケルビン度（またはいくつかの電子電圧ｅＶ）であり、気体温度Ｔｇはわずか数百ケルビン度である。それにより生成されたプラズマは低温プラズマと呼ばれる。圧力が増加するにつれて、電子および中性原子が中間自由通路内で衝突する可能性は高くなり、それにより、エネルギーが効果的に伝達され、平衡を達成する。一方、電子温度Ｔｅおよび気体温度Ｔｇは等しくなる傾向がある。それにより生成されたプラズマは、熱平衡プラズマと呼ばれる。

したがって、大気圧プラズマを得るためには、高電圧を２つの電極間に印加する。電気エネルギーの一部は熱エネルギーに変換されて、電極の温度を上昇させる。一方、別の熱エネルギー源がプラズマの生成から引き出される。総熱エネルギーが電極、特に内部電極（アノードとも呼ばれる）を熱する。したがって、大気圧プラズマシステムでは内部電極は消耗品であり、わずか数百から数千時間の使用後に交換する必要がある。さらに不都合なことに、金属分子が分離されるときに電極は消耗され、それが汚染の原因となる。

台湾特許出願番号第０９５２２０７７８号「ｌｏｗ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｌａｓｍａ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｄｅｖｉｃｅ」では、図３に示すように、低温でプラズマを生成することができるプラズマ放電装置１００が、第1のチャンバ１０１および第２のチャンバ１１１を有する外部電極１０２を備える。内部電極１０６は、第1のチャンバ１０１内に配置されている。開口１０３は、第1のチャンバ１０１の一端部に配置されている。入口１０９が作用気体１１０を導入して、内部電極１０６と外部電極１０２との間のコロナ放電により、プラズマ１２１を生成する。プラズマ１２１は、開口１０３を通って第1のチャンバ１０１から噴出される。冷却チューブ１２７および１２９が、第1のチャンバ１０１の側壁内およびその上にそれぞれ配置されて、外部電極１０２を冷却するようになっている。熱伝達フィン１２０および１１９が、第２のチャンバ１１１および内部電極１０６内にそれぞれ配置されている。第２のチャンバ１１１は熱交換装置１２５に通じ、その結果、冷却媒体１２３および１１７は熱交換を達成するために導入され、作用温度を下げ、電極の寿命を延長することができるようにする。しかし、このようなプラズマ放電装置について、冷却チューブ１２７および１２９、熱伝達フィン１２０および１１９、ならびに熱交換装置１２５は、既存のプラズマ放電装置１００に外部から付設され、作用気体１１０の入口１０９から分離されている。これらすべてにより、このプラズマ放電装置は大型で複雑な、高価なものとなる。

プラズマヘッドおよびこのプラズマヘッドを用いたプラズマ放電装置を提供することが本発明の目的であり、プラズマヘッドは、内部電極内に作用流体を冷却流体として導入する、その中に配置された冷却チャンネルを有する内部電極を備えて、効果的に電極温度を下げ、内部電極の消耗を防ぎ、内部電極の寿命を延長し、イオン分離による汚染を防止する。

上述の目的を達成するために、本発明は、プラズマヘッドおよびこのプラズマヘッドを用いたプラズマ放電装置を提供する。プラズマ放電装置は、２つの電極端子を有する電源を備える。プラズマヘッドは、内部に形成されたチャンバを有する外部電極と、チャンバ内に配置された内部電極と、内部電極内に配置された流れ案内構造とを備え、外部電極および内部電極が電源の２つの電極端子にそれぞれ接続されており、流れ案内構造が内部電極内に作用流体を導入する少なくとも1つの入口および外部電極のチャンバに通じる少なくとも1つの出口を有して、作用流体を外部チャンバのチャンバ内に流入するように案内する。

本発明のいくつかの実施形態の目的、精神および利点が、添付の図面および詳細な説明によって容易に理解されることになろう。

本発明は、以下に記載の実施形態によって例示されるが、それらに限定されない。

図４を参照されたい。図４は、プラズマヘッドおよび本発明の第1の実施形態によるプラズマヘッドを用いたプラズマ放電装置の構造図である。プラズマ放電装置２０が、電源２１およびプラズマヘッド２２を備える。電源２１は電力を供給し、２つの電極端子２１１および２１２を備える。底部電極端子２１１はアース２１３に接続されている。プラズマヘッド２２は外部電極２２１および内部電極２２２を備える。外部電極２２１はその中に形成されたチャンバ２２１１を備え、内部電極２２２はチャンバ２２１１内に配置されている。断熱層２２４が外部電極２１１の内部側壁に配置されている。外部電極２２１および内部電極２２２は、電源２１の２つの電極端子２１１および２１２にそれぞれ接続されている。一般的に、外部電極２１１はカソードであり、内部電極２２２はアノードである。外部電極２２１および内部電極２２２は、高い伝導性および高い溶融点を有する金属で形成されている。さらに、作用流体を導入する入口２２３１（図４の破線矢印の始点Ｆｉｎ）を有するチューブ２２３が、外部電極２２１および内部電極２２２の上方に配置されている。作用流体は、乾燥空気、酸素、窒素、ヘリウム、アルカン、アルケンまたはアルキンであることができる。

本発明は、通路が内部電極２２２内に形成されて、入口２２３１に通じることを特徴とする。この通路は、内部電極２２２を経由してチャンバ２２１１内に作用流体を導入するように、外部電極２２１内のチャンバ２２１１に通じる。図４に示す実施形態では、チャンバ２２２１が内部電極２２２内に配置されている。チャンバ２２２１内に延在する流れ案内構造２２３２が、チューブ２２３の底部に配置されており、その結果流れ案内構造２２３２がチャンバ２２２１に通じるようになっている。図４の破線矢印によって示されるように、作用流体が、通路の出発点Ｆｉｎから内部電極２２２中のチャンバ２２２１を経由して外部電極２２１内のチャンバ２２１１（図４の破線矢印の終点Ｆｏｕｔ）内に導入される。

従来のプラズマ放電については、作用流体が外部電極内のチャンバに直接導入されて、プラズマ放電を引き起こす。しかし、本発明では、流れ案内構造は作用流体を内部電極２２２内および外部電極２２１内のチャンバ２２１１内に導入するように配置されて、プラズマ放電を引き起こす。作用流体は、内部電極２２２を冷却して、磨耗およびイオン分離による汚染を防止し、内部電極２２２の寿命を延長する。前述の実施形態は、例示的に使用されたのであって、本発明の範囲を制限するためのものではない。本発明は、作用流体が内部電極内に導入されることを特徴とする。

図５を参照されたい。図５は、本発明の第２の実施形態によるプラズマヘッドの構造図である。図５では、プラズマヘッド２２ａが外部電極２２１および内部電極２２２を備える。断熱層２２４が外部電極２１１の内部側壁に配置されている。作用流体を導入する入口２２３１（図４の破線矢印の出発点Ｆｉｎ）を有するチューブ２２３ａが、内部電極２２２上方に配置されている。入口２２３１と通じるように、通路が内部電極内に形成されている。この通路は外部電極２２１内のチャンバ２２１１に通じる。前述の構成要素は、図４に示された実施形態の構成要素と同一であり、したがって繰り返さない。

本実施形態は、流れ案内ユニット２２５ａがチューブ２２３ａと内部電極２２２との間に形成されることを特徴とする。言い換えれば、図４の流れ案内構造２２３２は修正されて、独立した構成要素になる。図６は、図５の第２の実施形態によるプラズマヘッドにおける流れ案内ユニット２２５ａの３次元構造図である。流れ案内ユニット２２５ａは、長手方向チャンネル２２５２および横方向チャンネル２２５３を備えた、内部に形成された冷却チャンネルを有する本体２２５１を備える。長手方向チャンネル２２５２は、長手方向にある長さ延在する。横方向チャンネル２２５３は、長手方向チャンネル２２５２の底部に配置されて、横方向に本体２２５１を貫通し、長手方向チャンネル２２５２の底部に通じる。したがって、長手方向チャンネル２２５２および横方向チャンネル２２５３を備える冷却チャンネルは、本体２２５１内部に形成される。本体内に作用流体を導入する入口が、長手方向チャンネル２２５２の頭部に設けられる。作用流体が本体２２５１から流出するように案内する出口が設けられており、その結果、横方向チャンネル２２５３は本体２２５１を貫通するようになっている。

さらに、流れ案内通路が本体２２５１の外縁上に設けられる。この実施形態では、複数の平行な溝２２５４が、本体２２５１の外縁の周囲に配置されている。複数の溝２２５４の底部端が、本体２２５１の横方向チャンネル２２５３に通じる。複数の溝２２５４の上部端が、外部電極２２１内のチャンバ２２１１に通じる。したがって、作用流体は、長手方向チャンネル２２５２の頭部から本体２２５１に流入し、横方向チャンネル２２５３および溝２２５４を経由して内部電極２２２から流出した後、外部電極２２１のチャンバ２２１１（図５の破線矢印の終点Ｆｏｕｔ）内に流入する。

図５に記載された実施形態に基づくと、図７は本発明の第３の実施形態によるプラズマヘッドの構造図である。プラズマヘッド２２ｂが、外部電極２２１、内部電極２２２、チューブ２２３ａおよび断熱層２２４を備える。チューブ２２３ａは、作用流体を導入する入口２２３１（破線矢印の出発点Ｆｉｎ）を備える。内部電極２２２はチャンバ２２２１を備える。流れ案内ユニット２２５ｂがチューブ２２３ａの底部に配置され、流れ案内ユニット２２５ｂはチャンバ２２２１内部に延在するようになっている。

図７および図８を参照すると、流れ案内ユニット２２５ｂは、内部に形成された冷却チャンネル２２５２を備える図６の流れ案内ユニット２２５ａに基づく。冷却チャンネルは、長手方向チャンネル２２５２および横方向チャンネル２２５３を備える。横方向チャンネル２２５３は、長手方向チャンネル２２５２の底部に配置されて、横方向に本体２２５１を貫通し、長手方向チャンネル２２５２の底部に通じる。本実施形態は、螺旋形の流れ案内通路２２５５が本体２２５１の外縁上に配置されていることを特徴とする。螺旋形の流れ案内通路２２５５の底部が、本体２２５１の横方向チャンネル２２５３に通じる。したがって、作用流体は、長手方向チャンネル２２５２の頭部から本体２２５１に流入し、横方向チャンネル２２５３および螺旋形の流れ案内通路２２５５を経由して内部電極２２２から流出した後、外部電極２２１のチャンバ２２１１（図７の破線矢印の終点Ｆｏｕｔ）内に流入する。

図５および図８の実施形態によれば、本発明の流れ案内構造は、内部電極が冷却され得るように、作用流体が外部電極のチャンバに流入する前に、作用流体を内部電極に導入し、およびそこから導出することができる限り、様々な方法で設計することができる。しかし、本発明は上述の実施形態に限定されない。流れ案内通路は、図６の溝２２５４、図８の螺旋形流れ案内通路２２５５、または他の形態によって例示されることができる。流れ案内ユニット２２５ａおよび２２５ｂは独立した構成要素なので、それらは何の困難もなく取り替えることができる。

図４および図７のプラズマヘッド２２ａおよび２２ｂに基づくと、図９は本発明の第４の実施形態によるプラズマヘッドの構造図である。つまり、プラズマヘッド２２ｃは図７の流れ案内ユニット２２５ｂおよびチューブ２２３ａを備える。より具体的には、プラズマヘッド２２ｃが、外部電極２２１、内部電極２２２、チューブ２２３ｃおよび断熱層２２４を備える。チューブ２２３ｃは、作用流体を導入する入口２２３１（破線矢印の出発点Ｆｉｎ）を備える。内部電極２２２はチャンバ２２２１を備える。流れ案内ユニット２２３２ｃがチューブ２２３ｃの底部に配置され、その結果流れ案内ユニット２２３２ｃはチャンバ２２２１内に延在するようになっている。螺旋形流れ案内通路２２３３ｃが、流れ案内構造２２３２ｃの外側縁上に配置されている。したがって、作用流体は、内部電極２２２内のチャンバ２２２１を通って流れた後、外部電極２２１のチャンバ２２１１内に流入する。

図９の実施形態では、流れ案内ユニットおよびチューブは結合されている。別法として、流れ案内ユニットおよび内部電極もまた結合されることができる。これらは当業者に明白な修正形態であるので、その説明は繰り返さない。

上記の考察によれば、本発明がプラズマヘッドおよびこのプラズマヘッドを用いたプラズマ放電装置を開示することは明白であり、プラズマヘッドは、内部電極内に作用流体を冷却流体として導入する、その中に配置された冷却チャンネルを有する内部電極を備えて、効果的に電極温度を下げ、内部電極の消耗を防ぎ、内部電極の寿命を延長し、イオン分離による汚染を回避する。

本発明は具体的な実施形態を参照して開示及び説明されてきたが、含まれる原理は当業者に明らかであろう他の多くの実施形態の中で使用することができる。したがって本発明は、添付の請求項の範囲によって示されるようにのみ制限されることになる。

異なる気体を用いてプラズマを生成する作用電圧および作用圧力の関係を示す図である。 作用圧力ならびに気体温度Ｔｇおよび電子温度Ｔｅの関係を示す図である。 台湾特許出願番号第０９５２２０７７８号による低温プラズマ放電装置の構造図である。 本発明の第１の実施形態によるプラズマヘッドおよびこのプラズマヘッドを用いたプラズマ放電装置の構造図である。 本発明の第２の実施形態によるプラズマヘッドの構造図である。 本発明の第２の実施形態によるプラズマヘッド内の流れ案内ユニットの３次元構造図である。 本発明の第３の実施形態によるプラズマヘッドの構造図である。 本発明の第３の実施形態によるプラズマヘッド内の流れ案内ユニットの３次元構造図である。 本発明の第４の実施形態によるプラズマヘッドの構造図である。

Claims (16)

1. 内部に形成されたチャンバを有する外部電極と、
   前記チャンバ内に配置された内部電極と、
   前記内部電極内に配置され、前記内部電極内に作用流体を導入する少なくとも1つの入口および前記外部電極のチャンバに通じる少なくとも1つの出口を有する流れ案内構造であって、前記作用流体を前記外部電極の前記チャンバ内に流れるように案内する流れ案内構造と
   を備えるプラズマヘッド。
2. 前記流れ案内構造は、
   前記内部電極内に配置されたチャンバと、
   前記内部電極内のチャンバ中に配置された流れ案内ユニットであって、本体内に作用流体を導入する少なくとも1つの入口および前記作用流体を本体から流出するように案内する少なくとも1つの出口を有する、その内部に形成された冷却チャンネルを備える本体と、
   流れ案内通路の一方の端部が前記本体中の前記冷却チャンネルの一端部に連結され、流れ案内通路の他端部が前記外部電極の前記チャンバに連結されている、前記本体の外縁上に配置された少なくとも1つの流れ案内通路を有する流れ案内ユニットと、
   をさらに備える、請求項１に記載のプラズマヘッド。
3. 前記流れ案内通路が、前記本体の外縁の周囲に配置された複数の平行な溝をさらに備え、前記複数の溝の底部端が前記本体の前記冷却チャンネルの前記出口に通じている、請求項２に記載のプラズマヘッド。
4. 前記流れ案内通路が螺旋形である、請求項２に記載のプラズマヘッド。
5. 前記本体の前記冷却チャンネルは、頭部が前記作用流体を受けるように、長手方向に長さを延在する少なくとも1つの長手方向チャンネルと、
   前記本体を横方向に貫通し、前記長手方向チャンネルの底部に配置され、前記長手方向チャンネルの前記底部に通じ、前記流れ案内通路の一端部に通じる少なくとも1つの横方向チャンネルとを備える、請求項２に記載のプラズマヘッド。
6. 前記作用流体を導入する入口を有し、前記外部電極および前記内部電極上に配置され、前記本体に通じるチューブと、
   前記外部電極の内部側壁に配置された断熱層であって、断熱層および前記内部電極が、前記チャンバに通じる通路を形成するためにある距離だけ離れている断熱層と
   をさらに備える、請求項２に記載のプラズマヘッド。
7. 前記流れ案内ユニットおよび前記チューブが一体となっている、請求項６に記載のプラズマヘッド。
8. 前記作用流体は、乾燥空気、酸素、窒素、アルゴン、ヘリウム、アルカン、アルケン、アルキンまたはその組み合わせである、請求項１に記載のプラズマヘッド。
9. ２つの電極端子を有する電源と、
   内部に形成されたチャンバを有する外部電極、前記チャンバ内に配置された内部電極、ならびに前記内部電極内に配置され、前記内部電極内に作用流体を導入する少なくとも1つの入口および前記外部電極の前記チャンバに通じる少なくとも1つの出口を有する流れ案内構造であって、前記作用流体を前記外部電極の前記チャンバ内に流入するように案内する流れ案内構造を有するプラズマヘッドと
   を備えるプラズマ放電装置。
10. 前記流れ案内構造は、
    前記内部電極内に配置されたチャンバと、前記内部電極内の前記チャンバ内に配置された流れ案内ユニットであって、本体に作用流体を導入する少なくとも1つの入口および前記作用流体を本体から流出するように案内する少なくとも1つの出口を有する、その内部に形成された冷却チャンネルを備える本体と、
    流れ案内通路の一端部が前記本体中の前記冷却チャンネルの一端部に連結され、流れ案内通路の他端部が前記外部電極の前記チャンバに連結されている、前記本体の外縁上に配置された少なくとも1つの流れ案内通路を有する流れ案内ユニットと、
    をさらに備える、請求項９に記載のプラズマ放電装置。
11. 前記流れ案内通路は、前記本体の外縁の周囲に配置された複数の平行な溝をさらに備え、前記複数の溝の底部端が、前記本体の前記冷却チャンネルの前記出口に通じている、請求項１０に記載のプラズマ放電装置。
12. 前記流れ案内通路は螺旋形である、請求項１０に記載のプラズマ放電装置。
13. 前記本体の前記冷却チャンネルは、
    頭部が前記作用流体を受けるように、長手方向に長さを延在する少なくとも1つの長手方向チャンネルと、前記本体を横方向に貫通し、前記長手方向チャンネルの底部に配置され、前記長手方向チャンネルの前記底部に通じ、前記流れ案内通路の一端部に通じる少なくとも1つの横方向チャンネルと、
    を備える、請求項１０に記載のプラズマ放電装置。
14. 前記作用流体を導入する入口を有し、前記外部電極および前記内部電極上に配置され、前記本体に通じるチューブと、
    前記外部電極の内部側壁に配置された断熱層であって、断熱層および前記内部電極が前記チャンバに通じる通路を形成するためのある距離だけ離れている断熱層と
    をさらに備える、請求項１０に記載のプラズマ放電装置。
15. 前記流れ案内ユニットおよび前記チューブが一体となっている、請求項１４に記載のプラズマ放電装置。
16. 前記作用流体は、乾燥空気、酸素、窒素、アルゴン、ヘリウム、アルカン、アルケン、アルキンまたはその組み合わせである、請求項９に記載のプラズマ放電装置。

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