JP2009189948A

JP2009189948A - バイモデル仕事のプラズマ反応器装置

Info

Publication number: JP2009189948A
Application number: JP2008033046A
Authority: JP
Inventors: Shimei Gan; 顔志明; Yung-Chih Chen; 陳永枝; Shiaw-Huei Chen; 陳孝輝; Ming-Song Yang; 楊明松; Men-Han Huang; 黄孟涵
Original assignee: GYOSEIIN GENSHINO IINKAI KAKUN; Institute of Nuclear Energy Research
Current assignee: GYOSEIIN GENSHINO IINKAI KAKUN; Institute of Nuclear Energy Research
Priority date: 2008-02-14
Filing date: 2008-02-14
Publication date: 2009-08-27

Abstract

【課題】操作が簡単で、異なる清浄オブジェクトの汚染特性に応じて印加するパワーを調整して、放電モードを変換し、有効に清浄でき、また電力の節約やコストが低減できるバイモデル仕事のプラズマ反応器装置を提供する。
【解決手段】少なくとも、二つの気体入力ポートを有する気体螺旋流れ空チャンバーと、気体チャンバー内に設置される第１の電極と、気体チャンバー内に設置され、第１の電極に対応する第２の電極と、第１の電極と第２の電極の間に設置される絶縁隔離層と、第１の電極の外側に設けられる磁界発生装置と、気体螺旋流れ空チャンバーの外に設置される気体入力バッファチャンバーが備えられ、また、第１の電極と第２の電極に電気的に接続される高圧電源装置がある。気体放電により、気体螺旋流れ空チャンバー内において非熱プラズマを発生して、気流とともに出口から噴出されオブジェクトの表面を清浄する。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイモデル仕事のプラズマ反応器装置に関し、特に、チャンバー内で、所定の気体放電による異なる放電モードであるプラズマを利用して、オブジェクトの表面を清浄し、操作が簡単で持続的にプラズマでオブジェクトを清浄できるものに関する。

従来のオブジェクトの清浄方法は、大量の化学清浄溶剤を消費して、また、大量の清水で清浄して乾燥するため、揮発性の有機気体により、空気汚染問題があり、また、水資源の無駄、そして、時間が掛かるなどの問題がある。台湾を例とすれば、環保署による最近に訂正された法令によれば、ＶＯＣ空気汚染費徴収を開始し、そのため、台湾において、清浄工程を更新しなければならない。また、国際の傾向も環境保護が重要視され、関連する法令が制定されているか実行されている。

大気プラズマ清浄処理技術は、気体高圧放電方法により高い運動エネルギーを有する自由電子を発生し、このような電子や他の気体分子及び原子が互いに衝撃させ、エネルギー転移により、活性化自由基や励起状態分子等を形成して、オブジェクトの表面の有機汚染物と反応し、例えば、酸化作用が起こり、それらの有機汚染物を無害や低汚染物質に変換し、オブジェクト表面を清浄する目的を達成できる。その放電過程中、外部のエネルギーが、主として、電子に印加されるため、元の原気体分子エネルギーが大幅に変化しなく、即ち、平均電子温度が気体温度より遥かに大きいため、非熱プラズマと称される。この技術はエネルギー節約や高効率の利点が得られ、また、大幅に化学品の使用量を低減できる。

一般の高圧放電プラズマ反応器は、構造設計が目的物と深く係わる。既存のオブジェクトの表面を清浄するプラズマ反応器は、主として、ＲＦ放電と誘電体障壁放電の２種類がある。ＲＦ放電は、主として、金属発振チャンバー放電を採用し、大気中で初期放電が容易ではないため、他の方法を補助として使用し、また、チューニング装置で負荷整合して反射を低減し、そのため、そのシステムは複雑でコストが高くなる。誘電体障壁放電は、１８５７年にドイツＳｉｅｍｅｎｓがオゾンを製造することから発展され、今まで大した変化がなく、この方法は反応器に隔離するため、ひとつや二つの誘電体絶縁材が放電金属電極の間に設置され、これにより短絡が防止され、また、この方法は一般の交流高圧電源を利用することができ、そのため、電源を設置するコストが低減でき大幅に適用される。

また、中華民国専利公報公告第５４１６１４号の「プラズマ清浄装置」は、プラズマ清浄装置であり、支持フレーム内に、グルーブに合わせて、複数の平板状である被清浄物がチャンバー内に設置され、また、電源供給器と電極の外側にある磁石による磁界で、被清浄物に対してプラズマの清浄を行い、その特徴は、該支持フレーム内に、横方向にチャンバーの動力源に接続されて駆動される伝達棒が設けられ、該驅動が支持フレーム内において上下に作動でき、また同時に、少なくとも二つの被清浄物を一つずつ支持フレームから押出し、これにより、支持フレームによる影響が少なく、より均一な清浄効果が得られるプラズマ清浄装置である。

しかしながら、上記の従来のプラズマ清浄装置は、基板を清浄できるが構造が複雑で、１度に複数の基板を設置しプラズマ清浄時間も長くなり、毎回に清浄できる基板の数が限られ、基板を交換することに時間が掛かり、また、プラズマ清浄装置が、交換更換過程において電源を切らないと電力の浪費になり、切ると再起動するための時間が掛かる等の問題点がある。そのため、一般の従来のものは実用的とは言えない。
中華民国専利公報公告第５４１６１４号

本発明の主な目的は、操作が簡単であるバイモデル仕事のプラズマ反応器装置を提供し、清浄するオブジェクトをプラズマ噴射箇所に設置するだけで、異なる清浄オブジェクトに応じて、異なるパワーを選択できるように、清浄することができ、持続的にオブジェクトを清浄できるだけでなく、電力の節約やコストの低減などの効果が得られる。

本発明は、上記の目的を達成するため、該気体入力バッファチャンバー内に設置され、二つやそれ以上の気体入力ポートが備えられる気体螺旋流れ空チャンバーと、該気体螺旋流れ空チャンバー内に設置され、該高圧電源装置に電気的に接続され、その表面に第１の絶縁層が被覆される第１の電極と、該気体螺旋流れ空チャンバー内に設置され、該第１の電極に対応し、接地電極であり、中心に中空円柱通道が設置され、表面に第２の絶縁層が被覆される第２の電極と、該第１の電極と該第２の電極の間に設置される絶縁隔離層と、該第１の電極の外側に設置される磁界発生装置と、該第１の電極と該第２の電極に電気的に接続され、気体放電により非熱プラズマを発生するための高圧電源を供給する高圧電源装置が備えられ、本発明は、発生した非熱プラズマが該第２の電極の中空円柱通道から噴出し、清浄するオブジェクトをプラズマの噴出口に設置するだけで、プラズマで清浄できるバイモデル仕事のプラズマ反応器装置である。

図１と図２は、それぞれ本発明の使用状態の側面断面概念図と本発明の使用状態の上面断面概念図である。図のように、本発明に係わるバイモデル仕事のプラズマ反応器装置１は、気体螺旋流れ空チャンバー１１と第１の電極１２、第２の電極１３、絶縁隔離層１４、磁界発生装置１５及び気体入力バッファチャンバー１６が備えられ、また、該第１の電極１２と該第２の電極１３とに電気的に接続され、気体放電により非熱プラズマを発生するための高圧電源を供給する高圧電源装置１２２がある。

該第１の電極１２は、該気体螺旋流れ空チャンバー１１内の一端に設置され、該第１の電極１２の中心に、形状が一端に帽子形状である開口を有する中空円柱気流通道１３１が設けられる。該第２の電極１３は該第１の電極１２に対応し、該気体螺旋流れ空チャンバー１１内のもう一端に設置され、その形状が両端開口の帽子形状である。該第１の電極１２の内側に第１の絶縁層１２１が被覆され、該第１の電極１２の外側に磁界発生装置１５が設けられ、該第１の電極１２が該高圧電源装置１２２に接続される。

該第２の電極１３の中心に、第１の電極１２と第２の電極１３の同心気流通道を貫通する中空円柱通道１３１が設けられる。該第２の電極１３は、該第１の電極１２の近くの一側に第２の絶縁層１３２が被覆され、また、該第２の電極１３が接地電極である。

該第１の電極１２と第２の電極１３との間に、該絶縁隔離層１４が設けられ、また、絶縁隔離層１２１と絶縁隔離層１３２とともに気体螺旋流れ空間１１を構成する。該絶縁隔離層１４は二つやそれ以上の円形対称で、気体螺旋流れ空チャンバー１１まで貫通する細微気体入力ポート１１１が設置される。該第１の電極１２と第２の電極１３は金属導電材からなり、該金属材が非透磁の銅合金であってもよく、また、該電極の厚さが必要に応じて３〜５ｍｍの範囲内にある。該第１の絶縁層１２１と該第２の絶縁層１３２の材質はテフロン（登録商標）（ＰＴＦＥ）やポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエチレン（ＰＥ）、セラミック、ガラス或いは石英等であり、厚さが０．５〜３ｍｍの範囲内にある。

該高圧電源装置１２２は、高圧高周波（＞１ｋＨｚ）交流電源装置である。

使用する時、まず、動作気体が該気体入力バッファチャンバー１６に入れ込んでから、絶縁隔離層１４の該二つやそれ以上の細微の気体入力ポート１１１を経由して、加速的に該気体螺旋流れ空チャンバー１１に入る。該気体螺旋流れ空チャンバー１１は、二つやそれ以上の円対称に設置されるように、また、その口径が約１ｍｍ左右で極めて細く、ほぼ接線の角度で該絶縁隔離層１４を貫通する気体入力ポート１１１が設けられ、該動作気体が該気体入力ポート１１１から流れ込む時、該絶縁隔離層１４と該第１の絶縁層１２１及び該第２の絶縁層１３２から構成される気体螺旋流れ空チャンバー１１内の放電空間において、高速螺旋流れを形成し、これにより、該放電空間内において該動作気体の放電経路が長くなり、また衝撃回数を増加してより多い活性化自由基が生成される。その中、該動作気体は酸素ガスや窒素ガス、空気、ヘリウムガス、アルゴンガス或いは四フッ化炭素等の乾燥気体であり、また、清浄するオブジェクトの汚染性質に応じて、水蒸気を添加して調整することができる。該絶縁隔離層１４の材質はテフロン（登録商標）（ＰＴＦＥ）やポリエチレン（ＰＥ）等であり、また、実際の高圧運作や放電ギャップに応じて、厚さが０．５〜３ｍｍの範囲内にあり、また、該第１の電極１２の側辺にある該第１の絶縁層１２１と該第２の電極１３の側辺にある第２の絶縁層１３２との間に形成された実際の放電ギャップが、０．３〜１ｃｍの範囲内にある。

動作気体が、該気体入力バッファチャンバー１６に入ると、該気体入力ポート１１１を利用して、加速的に該気体螺旋流れ空チャンバー１１内へ入り、高速螺旋流れを形成し、この時、該高圧電源装置１２２により、該第１の電極１２に高圧電源が出力され、これにより、該気体螺旋流れ空チャンバー１１内の気体が、高圧放電により遊離してプラズマを発生し、また、該磁界発生装置１５は、該気体螺旋流れ空チャンバー１１の中央に位置するため軸方向に対称する磁束を発生し、これにより遊離気体の噴射方向を案内制御でき、また噴射速度を増大でき、そのため、該プラズマは該第２の電極１３の間の該中空円柱通道１３１から噴出され、その気流運動方向は図１のようである。また、高圧放電によりプラズマを発生する時、低電流下で、主として両平板間の気体螺旋流れ空チャンバー１１において放電が発生され、主としてストリーマー（ＳＴＲＥＡＭＥＲ）放電であり、そのため、この動作モードをストリーマー放電と称し、また、更に、放電パワーを向上すると、動作電流の向上に従って火花（ＳＰＡＲＫ）放電に変換し、その放電は、主として両電極間の中空円柱通道１３１において発生し、そのため、この動作モードを火花放電と称する。該中空円柱通道１３１の管壁は電絶縁材で、テフロン（登録商標）（ＰＴＦＥ）やポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエチレン（ＰＥ）等の絶縁材であり、その通道内の直径が０．５〜１．５ｃｍの範囲内にあり、該中空円柱通道１３１の出口が少しずつ縮小してノズル状になり、これにより気体の出口端での流速が向上され、そのノズル口の直径が０．３〜０．８ｃｍの範囲内にある。本発明によれば、清浄するオブジェクト２を該中空円柱通道１３１の下方に設置するだけで、プラズマで清浄することができる。該磁界発生装置１５は、永久磁石や電流により磁界の大きさが制御される通電コイル磁石である。該気体入力バッファチャンバー１６は、気体入力バッファ空間としてりようされるだけでなく、該第１の電極１２や該第２の電極１３を該磁界発生装置１５に結合する絶縁固定装置として利用され、その材質はテフロン（登録商標）（ＰＴＦＥ）やポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の機械加工可能の絶縁材料である。

図３は、本発明の実例のテスト結果の概念図であり、本発明に係わるバイモデル仕事のプラズマ反応器装置の実例のテスト結果でもあり、大気圧下で空気を動作気体とし、低電流下で両平板電極の間においてストリーマー放電させ、主としてオゾンを発生し、しかし、電流が高くなると火花放電に変換し、主として中央通道の両電極の間においてオゾンを発生せず、高濃度の窒素酸化物を発生する。

故に、本発明は、大気圧下で動作でき、運搬台のプロセス制御が簡単で、また、異なる清浄するオブジェクトの汚染特性に応じて、印加するパワーを調整して放電モードを変換し、清浄するオブジェクトを清浄できる。また、先端のプラズマ清浄方法を利用するため、大幅に従来の化学的清浄溶剤の使用を低減でき、環境保護の技術である。

以上のように、本発明に係わるバイモデル仕事のプラズマ反応器は、有効に従来の所欠点を改善でき、操作が簡単で、清浄するオブジェクトをプラズマの噴射箇所に設置するだけで清浄でき、また、持続的にオブジェクトを清浄でき、電力の節約やコストの低減の効果が得られ、そのため、本発明はより進歩的かつより実用的で、法に従って特許請求を出願する。

以上は、ただ本発明のより良い実施例であり、本発明はそれによって制限されることが無く、本発明に係わる特許請求の範囲や明細書の内容に基づいて行った等価の変更や修正は、全てが本発明の特許請求の範囲内に含まれる。

本発明の使用状態の側面断面概念図本発明の使用状態の上面断面概念図本発明の実例のテスト結果の概念図

符号の説明

１プラズマ清浄装置
１１気体螺旋流れ空チャンバー
１１１気体入力ポート
１２第１の電極
１２１第１の絶縁層
１２２高圧電源装置
１３第２の電極
１３１中空円柱通道
１３２第２の絶縁層
１４絶縁隔離層
１５磁界発生装置
１６気体入力バッファチャンバー
２清浄するオブジェクト

Claims

少なくとも、高圧電源装置と、
気体入力バッファチャンバーと、
該気体入力バッファチャンバー内に設置され、二つやそれ以上の気体入力ポートが備えられる気体螺旋流れ空チャンバーと、
該気体螺旋流れ空チャンバー内に設置され、該高圧電源装置を電気的に接続され、その表面に第１の絶縁層が被覆される第１の電極と、
該気体螺旋流れ空チャンバー内に設置され、該第１の電極と対応し、接地電極であり、その中心に中空円柱通道が設置され、しかも表面に第２の絶縁層が被覆される第２の電極と、
該第１の電極と該第２の電極の間に設置される絶縁隔離層と、
該第１の電極の外側に設置される磁界発生装置が含有されることを特徴とする、バイモデル仕事のプラズマ反応器装置。
高圧放電によりプラズマを発生する時、低い動作電流で、主は、両平板の間にある気体螺旋流れ空チャンバーにおいて、ストリーマー放電が発生し、この時、ストリーマーが放電動作モードであり、更に、放電パワーを向上してプラズマを発生する時、動作電流の向上とともに、この時、火花放電になり、その放電が、主に、両電極の間にある中空円柱通道に発生し、この時、火花放電動作モードであることを特徴とする、請求項１に記載のバイモデル仕事のプラズマ反応器装置。
該気体螺旋流れ空チャンバーの二つやそれ以上の気体入力ポートが、円対称のように設置され、ほぼ接線の角度で該絶縁隔離層を貫通し、その口径が約１ｍｍ左右であり、また、動作気体が該二つやそれ以上の気体入力ポートから入り、該絶縁隔離層と該第１、２の電極から構成された放電空間内で、高速螺旋流れを形成し、これにより、該放電空間内において、該動作気体の放電経路が長くなり、また、衝撃回数を増加しより多い活性化自由基が生成されることを特徴とする、請求項１に記載のバイモデル仕事のプラズマ反応器装置。
該動作気体は、酸素ガスや窒素ガス、空気、ヘリウムガス、アルゴンガス或いは四フッ化炭素等の乾燥気体であり、また、清浄するオブジェクトの汚染性質に応じて、水蒸気を添加して調整できることを特徴とする、請求項２に記載のバイモデル仕事のプラズマ反応器装置。
該第１の電極と該第２の電極は、金属導電材からなり、また、該金属材が非透磁である銅合金で、該電極の厚さが実用に応じて３〜５ｍｍの範囲内にあることを特徴とする、請求項１に記載のバイモデル仕事のプラズマ反応器装置。
該絶縁隔離層の材質は、テフロン（登録商標）（ＰＴＦＥ）やポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）或いはポリエチレン（ＰＥ）等であり、また、該絶縁隔離層の厚さが、実際の高圧運作や放電ギャップに応じて０．５〜３ｍｍの範囲内にあることを特徴とする、請求項１に記載のバイモデル仕事のプラズマ反応器装置。
該高圧電源装置は、放電ギャップが０．３〜１ｃｍの範囲内にあることを特徴とする、請求項１に記載のバイモデル仕事のプラズマ反応器装置。
該中空円柱通道は、電絶縁材からなり、該電絶縁材質がテフロン（登録商標）（ＰＴＦＥ）やポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエチレン（ＰＥ）或いは類似する絶縁材質からなり、その通道内の直径が０．５〜１．５ｃｍの範囲内に有り、また、該中空円柱通道の出口が少しずつ縮小してノズル状になって、出口端の気体流速が向上され、また、そのノズルの口径が０．３〜０．８ｃｍの範囲内にあることを特徴とする、請求項１に記載のバイモデル仕事のプラズマ反応器装置。
該磁界発生装置は、永久磁石や電流により磁界の大きさが制御することができる通電コイル磁石であることを特徴とする、請求項１に記載のバイモデル仕事のプラズマ反応器装置。
該気体入力バッファチャンバーは、気体入力バッファ空間を提供するだけでなく、更に、該第１の電極や該第２の電極を該磁界発生装置と接続する絶縁固定装置であり、その材質がテフロン（登録商標）（ＰＴＦＥ）やポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の機械加工可能の絶縁材料であることを特徴とする、請求項１に記載のバイモデル仕事のプラズマ反応器装置。
該高圧電源装置は、高圧高周波（＞１ｋＨｚ）交流電源装置であることを特徴とする、請求項１に記載のバイモデル仕事のプラズマ反応器装置。