JP2009238485A - プラズマ発生体、プラズマ発生体の製造方法、および反応装置 - Google Patents

Abstract

【課題】処理を行う流体の条件によって、各放電空間内のプラズマ密度をり最適化し、消費電力を低減することが可能なプラズマ発生体を提供する。
【解決手段】一方向に配列された複数の誘電体と、該各誘電体の内部に配設された導電体とを有し、導電体間に電圧を印加することにより誘電体間にプラズマを発生可能なプラズマ発生体であって、誘電体は、３つ以上であり、導電体は、所定の間隔で配置されており、互いに隣接する少なくとも１組の誘電体対における誘電体間の距離が、他の組の誘電体対における誘電体間の距離と異なる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発生させたプラズマによって流体の浄化等を行なうプラズマ発生体およびその製造方法、並びにそのプラズマ発生体を用いた反応装置に関する。

従来、排気ガス等の有害物質を含む流体を浄化する方法として、プラズマを利用するものが知られている。このようなプラズマは、導電体間に電圧を印加することにより発生し、その導電体間を通過する流体の有害物質と反応し、流体を浄化させることができる。

このような導電体を誘電体の内部に配設すると、導電体を直接プラズマに晒すことなく、無声放電によってプラズマを発生させることが可能になる。このようなプラズマ発生体では、誘電体によって囲まれた放電空間が所定の方向に配列され、その放電空間を挟むように導電体が配置されている。
特開２００４−９２５８９号公報

ここで、放電空間を通過する流体が複数種類の物質を含み、その種類毎に物質の重量が異なるとき、流体中で種類の異なる物質が分離して、それぞれ異なる放電空間を通過する場合がある。さらに、それらの物質の種類毎にプラズマに対する分解のしやすさ（以下、分解性）が異なると、分解しやすい、すなわち分解性が良い物質が通過する放電空間と分解しにくい、すなわち分解性が悪い物質が通過する放電空間とで処理に必要なプラズマの量が異なるため、放電空間が一定の間隔に配列されたプラズマ発生体では、分解性の良い物質が通過する放電空間に必要以上のプラズマを発生させることになり、消費電力が大きくなるという問題があった。

また、流体中で複数の種類の物質が実質的に均一に混ざりあっている場合でも、一般に、プラズマ発生体を通過する流体の流速は流路の中央部分が早くなり、外周部分が遅くなることから、中央部の放電空間と外周部の放電空間とで処理をする流体の量が異なるため、放電空間が一定の間隔に配列されたプラズマ発生体では、外周部に必要以上のプラズマを発生させることになり、消費電力が大きくなるという問題があった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、例えば、流体の速度、および流体に含まれる物質の種類等のような、処理を行う流体の条件によって、各放電空間内のプラズマ密度を最適化し、消費電力を低減することが可能なプラズマ発生体およびその製造方法、並びにプラズマ発生体を用いた反応装置を提供することを目的とする。

本発明のプラズマ発生体は、一方向に配列された複数の誘電体と、該各誘電体の内部に配設された導電体とを有し、前記の導電体間に電圧を印加することにより前記の誘電体間にプラズマを発生可能なプラズマ発生体であって、前記の誘電体は、３つ以上であり、前記の導電体は、所定の間隔で配置されており、互いに隣接する少なくとも１組の誘電体対における誘電体間の距離が、他の組の誘電体対における誘電体間の距離と異なる。このプラズマ発生体を「第１のプラズマ発生体」という。

好ましくは、第１プラズマ発生体第１のプラズマ発生体において、前記の誘電体は、４つ以上であり、前記の誘電体の配列方向の一方の端部における前記の誘電体間の距離は、他方の端部における前記の誘電体間の距離よりも短い。このプラズマ発生体を「第２のプラズマ発生体」という。

好ましくは、第２のプラズマ発生体において、前記の誘電体間の距離は、前記の誘電体の配列方向において、前記の一方の端部から前記の他方の端部に向かうにつれて漸次短くなる。このプラズマ発生体を「第３のプラズマ発生体」という。

好ましくは、第１のプラズマ発生体において、前記の誘電体は、４つ以上であり、前記の誘電体の配列方向の中央部における前記の誘電体間の距離は、端部における前記の誘電体間の距離よりも短い。このプラズマ発生体を「第４のプラズマ発生体」という。

好ましくは、第４のプラズマ発生体において、前記の誘電体間の距離は、前記の誘電体の配列方向において、端部から中央部に向かうにつれて漸次短くなる。このプラズマ発生体を「第５のプラズマ発生体」という。

本発明のプラズマ発生体の製造方法は、第１乃至第５のプラズマ発生体のいずれかを製造するための製造方法であって、前記の誘電体および該誘電体の内部に配設された前記の誘電体を複数のセラミックグリーンシートと該セラミックグリーンシートの間には配設された導電ペーストを同時に焼成することにより形成する。

本発明の反応装置は、第１乃至第５のプラズマ発生体のいずれかと、プラズマ発生体の導電体間に交流電圧、若しくはパルス電圧を印加するための電源と、誘電体間に流体を供給可能な供給部とを備える。

本発明のプラズマ発生体によれば、処理を行う流体の条件によって各放電空間内のプラズマ密度を最適化し、消費電力を低減することが可能なプラズマ発生体を実現することができる。

本発明のプラズマ発生体の製造方法によれば、処理を行う流体の条件によって各放電空間内のプラズマ密度を最適化し、消費電力を低減することが可能なプラズマ発生体を製造することができる。

本発明の反応装置によれば、処理を行う流体の条件によって各放電空間内のプラズマ密度を最適化し、消費電力を低減できるプラズマ発生体を動作させることが可能な反応装置を実現することができる。

以下に、本発明のプラズマ発生体の実施の形態について詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態によるプラズマ発生体の構成例を示す斜視図であり、図２（ａ）は、図１のプラズマ発生体の平面図、図２（ｂ）は、図１のプラズマ発生体の側面図である。また、図３（ａ）は、図２（ａ）の１Ａ−１Ａ’線における断面図、図３（ｂ）は、図２（ｂ）の１Ｂ−１Ｂ’線における断面図、図３（ｃ）は、図２（ｂ）の１Ｃ−１Ｃ’線における断面図である。図１乃至図３に示されるように、本実施の形態によるプラズマ発生体１１は、基体１２を備える。この基体１２は、一方向に配列された複数の平板状の誘電体１３と、複数の誘電体１３を支持する支持部１４とを備える。誘電体１３と支持部１４は、放電空間となる空洞１６を構成する。

本実施の形態によるプラズマ発生体１１では、第１空洞１６ａ，第２空洞１６ｂ，第３空洞１６ｃを有する。そして、誘電体１３の配列方向において互いに隣接する少なくとも１組の誘電体対の誘電体１３間の距離が異なる。ここでは、第３空洞１６ｃを構成する誘電体１３間の距離が、第１空洞１６ａおよび第２空洞１６ｂを構成する誘電体１３間の距離よりも短い。なお、本明細書では、第１空洞１６ａ，第２空洞１６ｂ，および第３空洞１６ｃを区別せずに、単に空洞１６という場合がある。

さらに、各誘電体１３の内部には、空洞１６内にプラズマを発生可能な導電体１５が配設される。導電体１５は、空洞１６を挟んで対向する平板状の導電体であり、交互に配設された第１誘電体１５ａと第２誘電体１５ｂとからなる。なお、導電体１５の間隔は、実質的に同一である。

さらに、基体１２の一方の端面には、第１導電体１５ａが電気的に接続される外部端子１７ａが設けられ、基体１２の他方の端面には、第２導電体１５ｂが電気的に接続される外部端子１７ｂが設けられる。なお、本明細書で基体１２とは、内部に形成された導電体１５等の他の部品を除いた部分をいい、後述するようにプラズマ発生体１２が複数のセラミックグリーンシートの積層体とその各セラミックグリーンシートの表面に形成された導電体ペーストを同時焼成して得られる場合には、その積層体に対応する部分のみをいう。

本実施の形態によるプラズマ発生体１１では、隣接する導電体１５間に高電圧を印加して空洞１６内にプラズマを発生させ、この空洞１６内に例えば排気ガス等の流体を通過させることにより、流体中の化学物質を反応および分解させる。

基体１２は、電気絶縁材料から成り、例えば、セラミックスから成る。具体的に、基体１２を製造する場合には、複数のセラミックグリーンシートを準備し、準備したセラミックグリーンシートに必要に応じて適当な打ち抜き加工を施すとともにそれらのグリーンシートを積層し、高温（約１３００〜１８００℃）で焼成することにより製作される。電気絶縁材料としては、例えば、酸化アルミニウム焼結体（アルミナセラミックス）がある。例えば酸化アルミニウム質焼結体から成るグリーンシートは、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリカ（ＳｉＯ_２）、カルシア（ＣａＯ）、およびマグネシア（ＭｇＯ）等の原料粉末に適当な有機溶剤および溶媒を添加混合して泥漿状となすとともにこれを従来周知のドクターブレード法、またはカレンダーロール法等を採用し、シート状に成形することによって得られる。

セラミックグリーンシートの積層体を作製する場合には、セラミックグリーンシートを積層した後圧着を行なう。圧着は３．０〜８．０ＭＰａ程度の圧力を加えて行ない、必要に応じて３５〜８０℃で加熱を行なう。このとき、空洞１６を形成するために、少なくとも１つのグリーンシートに貫通孔を形成する。また、セラミックグリーンシート同士の十分な接着性を得るために、溶剤と樹脂バインダーを混合するなどして作製した接着剤を用いてもよい。なお、誘電体材料としては、酸化アルミニウム質焼結体以外にも、ムライト質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、コーディライト質焼結体、または炭化珪素質焼結体等が挙げられる。

第１導電体１５ａおよび第２導電体１５ｂは、基体１２内に保持されており、空洞１６内にプラズマ場を発生させるための導電体として機能する。すなわち、第１導電体１５ａおよび第２導電体１５ｂは、基体１２の表面または内部に、空洞１６を挟んで互いに対向するようにそれぞれ形成されている。なお、第１導電体１５ａおよび第２導電体１５ｂは、その端部が基体１２の外表面近傍まで導出されており、外部端子１７ａ，１７ｂに直接に、または補助導体を介して電気的に接続される。第１導電体１５ａおよび第２導電体１５ｂは、タングステン、モリブデン、銅、または銀等の金属粉末導電体からなり、スクリーン印刷法等の印刷手段を用いて、基体１２用のセラミックグリーンシートの所定の位置に第１導電体１５ａおよび第２導電体１５ｂ用の導電体ペーストを印刷塗布し、基体１２用のセラミックグリーンシートと同時焼成することによって基体１２の内部に所定のパターンに形成することができる。導電体ペーストは、主成分の金属粉末に有機バインダーおよび有機溶剤、並びに必要に応じて分散剤等を加えて、ボールミル、三本ロールミル、またはプラネタリーミキサー等の混練手段により混合および混練することで製作される。導電体ペーストには、セラミックグリーンシートの焼結挙動に合わせたり、焼結後の絶縁基板との接合強度を高めたりするためにガラスやセラミックスの粉末を添加しても良い。

なお、図３に示すように、第１導電体１５ａおよび第２導電体１５ｂは、基体１２の内部に空洞１６に露出することなく配設することが好ましい。これは、第１導電体１５ａおよび第２導電体１５ｂが空洞１６内を通過する流体に直接接触しにくくなるので、流体により第１導電体１５ａおよび第２導電体１５ｂが腐食し、プラズマの強度が低下する可能性を抑制することができるからである。なお、基体１２の表面に形成する場合には、第１導電体１５ａおよび第２導電体１５ｂの露出する表面には、ニッケルおよび金等の耐蝕性に優れる金属を被着しておくことが好ましい。また、プラズマ発生体１１を高温下の環境にて使用する場合は、熱により金属同士の拡散が行われやすくなるので、ニッケルまたは金等の耐蝕性に優れる金属を単層で被着しておいても構わない。例えば、ニッケルめっき層と金めっき層とを順次被着している場合、高温下の熱によりニッケルと金とが容易に拡散し、第１導電体１５ａおよび第２導電体１５ｂが劣化してプラズマの強度が低下する可能性やプラズマの強度がばらつく可能性がある。このため、プラズマ発生体１１を高温下の環境にて使用する場合は、第１導電体１５ａおよび第２導電体１５ｂの露出する表面に金めっき層のみを０．１〜１０μｍ程度被着させておいても構わない。

また、第１導電体１５ａと第２導電体１５ｂとの面積は、必要とするプラズマの強度や第１導電体１５ａおよび第２導電体１５ｂに印加する電圧等によって適宜決定される。例えば、ディーゼルエンジンの排気ガス中のＰＭや酸化成分等の流体を浄化するプラズマ発生体１１における第１導電体１５ａと第２導電体１５ｂとの面積は、１００ｍｍ^２〜９００００ｍｍ^２程度が好ましい。

基体１２の外表面には、外部端子１７ａ，１７ｂが形成されている。外部端子１７ａ，１７ｂは、外部電源から第１導電体１５ａおよび第２導電体１５ｂに電圧を印加するための導電路として機能し、基体１２の外表面に導出された第１導電体１５ａおよび第２導電体１５ｂのそれぞれに電気的に接続されている。外部端子１７ａ，１７ｂは、タングステン、モリブデン、銅、または銀等の金属粉末導電体からなり、スクリーン印刷法等の印刷手段を用いて、基体１２用のセラミックグリーンシートの所定の位置に外部端子１７ａ，１７ｂ用の導電体ペーストを印刷塗布し、基体１２用のセラミックグリーンシートと同時焼成することによってプラズマ発生体１１の所定の位置に形成することができる。外部端子１７ａ，１７ｂ用の導電体ペーストは、第１導電体１５ａおよび第２導電体１５ｂ用の導電体ペーストと同様にして作製されるが、有機バインダーおよび有機溶剤の量により印刷に適した粘度に調製される。

なお、外部端子１７ａ，１７ｂの露出する表面には、ニッケルまたは金等の耐蝕性に優れる金属を被着しておくことが好ましい。なお、外部端子１７ａ，１７ｂが酸化腐食するのを抑制するとともに、外部端子１７ａ，１７ｂと外部電源の電源端子との接合を強固なものとするために、厚みが１〜１０μｍ程度のニッケルめっき層と厚みが０．１〜３μｍ程度の金めっき層とが順次被着されていることが好ましい。なお、外部端子１７ａ，１７ｂにおいても、上述と同様に、高温下にて使用する場合には、ニッケルまたは金等の耐蝕性に優れる金属を単層で被着しておいても構わない。

あるいは、外部端子１７ａ，１７ｂは、基体１２用のセラミックグリーンシートの焼成後に、所定の位置に貼り付けられた金属板でもよい。

そして、外部電源の電源端子を圧接または接合等の手段により外部端子１７ａ，１７ｂに電気的に接続し、外部端子１７ａ，１７ｂを通して第１導電体１５ａおよび第２導電体１５ｂに電圧を印加すると、第１導電体１５ａと第２導電体１５ｂとの対向面（平面視して、第１導電体１５ａと第２導電体１５ｂとが重畳する領域）の間にプラズマを発生させることができる。これにより、プラズマ発生体１１の一方側面から他方側面にかけて形成された空洞１６内を通過する流体は、第１導電体１５ａと第２導電体１５ｂとの間のプラズマを通過することとなるので、反応および分解して、浄化される。例えば、還元性雰囲気下においては、ＮＯ_Ｘ（窒素酸化物）は、下記の式（１）および（２）に示された反応より分解して、Ｎ_２およびＯ_２が生成されて浄化される。

２ＮＯ_２ → ２ＮＯ＋Ｏ_２・・・・・・・・・・（１）
２ＮＯ＋Ｏ_２ → Ｎ_２＋２Ｏ_２・・・・・・・・・・（２）

なお、第１導電体１５ａと第２導電体１５ｂとの間にプラズマを発生させるために、周波数の高い交流電圧が印加される。印加される交流電圧は、必要とされるプラズマの強度等によって適宜選択される。例えば、ディーゼルエンジンの排気ガス中のＰＭや酸化成分等の流体を浄化するプラズマ発生体において印加される交流電圧の周波数は、例えば、１ｋＨｚ〜１００ＭＨｚである。

また、導電体１５間に印加する電圧は、交流電圧以外に、パルス電圧であってもよい。なお、交流電圧は、正弦波電圧に限らず、矩形波電圧若しくは方形波電圧等であってよい。

本実施の形態によるプラズマ発生体１１は、第３空洞１６ｃを構成する誘電体１３間の距離が第１空洞１６ａおよび第２空洞１６ｂを構成する誘電体１３間の距離よりも短いことから、各導電体１５間に同じ電圧を印加して空洞１６にプラズマを発生させた際に、第３空洞１６ｃの内部に発生するプラズマの密度が、第１空洞１６ａおよび第２空洞１６ｂの内部に発生するプラズマの密度よりも大きくなることから、第３空洞１６ｃの内部に発生するプラズマの強度が、第１空洞１６ａおよび第２空洞１６ｂの内部に発生するプラズマの強度よりも大きくなる。このように、誘電体１３の配列方向の一方の端部に配置された第３空洞１６ｃの内部に発生するプラズマの強度が、上記配列方向の中央部および他方の端部に配置された第２空洞１６ｂおよび第１空洞１６ａの内部に発生するプラズマの強度よりも強くなることから、例えば、流体中に、重量が大きく、分解に大きなエネルギーが必要となる分解性の悪い物質が含まれていた場合に、そのような物質が多く通過する下端部の空洞１６ｃ内部のプラズマ強度を強くすることにより、消費電力を不必要に増加させることなく効率的に流体を分解させて浄化することができる。

また、本実施の形態によるプラズマ発生体１１において、空洞１６は、一方向に延在した形状であるが、これに限らず、任意の形状であってよい。

また、本実施の形態によるプラズマ発生体１１において、基体１２は、複数のセラミック層からなり、そのセラミック層に貫通孔を設けて空洞１６としたが、空洞１６は、貫通孔から構成されなくともよく、セラミック層の表面に１つの開口を有する穴部により構成されてもよい。

また、図４に示すように、プラズマ発生体は、複数の空洞１６Ａ〜１６Ｄが厚み方向に形成されたものであっても良い。図４のプラズマ発生体１９では、配列方向の中央部に空洞１６Ｂ、１６Ｃを配置し、配列方向の端部に空洞１６Ａ、１６Ｄを配置している。このような構成において、隣接する導電体１５間に電圧を印加して各空洞１６Ａ〜１６Ｄにそれぞれプラズマを発生させ、それぞれの空洞１６Ａ〜１６Ｄ内を通過する流体を反応および分解させることにより、その流体を浄化することができる。このように、プラズマ発生体１１に複数の空洞１６Ａ〜１６Ｄを設けることにより、複数の空洞１６Ａ〜１６Ｄで流体を反応および分解させることができるので、流体を効率よく浄化することができる。

なお、空洞１６を構成する誘電体１３間の距離が誘電体１３の配列方向における一方の端部から他方の端部に向けて漸次短くなる場合には、プラズマ発生体１１の一方の端部から他方の端部に向けて放電空間１６におけるプラズマ強度が強くなるため、隣接する放電空間１６の間でプラズマ強度が急激に変化することがなく、また、これにより隣接する放電空間２６の間で放電空間２６の内部の温度が急激に変化することがないことから、誘電体１３に発生する応力が小さくなり、より都合がよい。なお、誘電体の配列方向の端部における誘電体間の距離とは、上記配列方向の端部における誘電体と、その誘電体に隣接する誘電体２３との間の距離である。

なお、プラズマ発生体１１，１９は、基体１２が、セラミックグリーンシートを同時焼成することにより形成され、第１導電体１５ａ、第２導電体１５ｂ、および外部端子１７ａ，１７ｂが、導電体ペーストをセラミックグリーンシートと同時に焼成することにより形成されることが好ましい。このような場合には、プラズマ発生体１１，１９がセラミックスと導電体ペーストを同時焼成することにより一体化されているので、高温、または高振動等の環境下で長期間使用される場合にも、プラズマ発生体１１，１９の変形を小さなものとし、空洞１６の形状を安定したものとすることができる。従って、空洞１６内を通過するＰＭや酸化性成分等の流体を長期間に渡って安定して反応させ、分解させて良好に浄化することができる。

なお、プラズマ発生体単独ではなく、他の排気ガスの浄化機構をともに用いてもよい。例えば、プラズマ発生体の前後にフィルターや触媒を付着しておいても良く、これにより排気ガス中のＰＭや酸化成分等の排出をさらに低減させることができる。このようなフィルターとして、セラミック製のＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）等があり、触媒として白金等を用いることができる。

（第２の実施の形態）
図５は、本発明の第２の実施の形態によるプラズマ発生体の構成例を示す斜視図であり、図６（ａ）は、図５のプラズマ発生体の平面図、図６（ｂ）は、図５のプラズマ発生体の側面図である。また、図７（ａ）は、図６（ａ）の２Ａ−２Ａ’線における断面図、図７（ｂ）は、図６（ｂ）の２Ｂ−２Ｂ’線における断面図、図７（ｃ）は、図６（ｂ）の２Ｃ−２Ｃ’線における断面図である。本実施の形態によるプラズマ発生体が、第１の実施の形態によるプラズマ発生体と異なる点は、第２空洞２６ｂを構成する誘電体１３間の距離が、第１空洞２６ａおよび第３空洞２６ｃを構成する誘電体２３間の距離よりも短い点である。

本実施の形態によるプラズマ発生体２１によれば、第２空洞２６ｂの内部に発生するプラズマの強度が、第１空洞２６ａおよび第３空洞２６ｃの内部に発生するプラズマの強度よりも強くなる。このように、プラズマ発生体２１の中央部に配置された第２空洞２６ｂの内部に発生するプラズマの強度が、端部に配置された第１空洞２６ａおよび第３空洞２６ｃの内部に発生するプラズマの強度よりも強くなることから、例えば、流体中に、分解に大きなエネルギーが必要となる物質が含まれており、その物質が流体の中央に集まる傾向がある場合等に、中央部の空洞２６内のプラズマ強度をより強くして、消費電力を不必要に増加させることなく、流体を効率的に浄化することができる。

また、流体中で複数の種類の物質が実質的に均等に混ざりあっている場合でも、一般に、プラズマ発生体を通過する流体の流速は流路の中央部分が早くなり、外周部分が遅くなることから、流体が多く流れる中央部の空洞において、プラズマ強度を強くすることにより、消費電力を不必要に増加させることなく効率よく流体を浄化することができる。

なお、流体中に、複数の物質が含まれており、他の物質よりも分解性が良い物質が流体の中央に集まる傾向がある場合等に、中央部の空洞の内部のプラズマ強度を端部の空洞の内部のプラズマ強度よりも弱くすることができれば、消費電力を不必要に増加させることなく、流体を効率的に浄化することができる。この場合のプラズマ発生体の構成を、例えば、図８〜図１０に示す。図８〜図１０に示されるように、第２空洞３６ｂを構成する誘電体３３間の距離が、第１空洞３６ａおよび第３空洞３６ｃを構成する誘電体３３間の距離よりも長い場合には、第２空洞３６ｂ内のプラズマ強度を他の空洞内のプラズマ強度よりも小さくすることができる。

なお、プラズマ発生体の中央部の空洞（放電空間）とは、プラズマ発生体が奇数個の放電空間を有する場合には、中央の放電空間であり、プラズマ発生体が偶数個の放電空間を有する場合には、中央の隣接する２つの放電空間である。

言い換えると、プラズマ発生体が奇数個の放電空間を有する場合、すなわち誘電体１３が偶数個存在する場合には、中央部の空洞は、誘電体１３の配列方向の中央部において隣接する２つの誘電体１３の間の空間であり、プラズマ発生体が偶数個の放電空間を有する場合、すなわち誘電体が奇数個存在する場合には、上記配列方向の中央部において隣接する３つの誘電体１３によって形成される２つの空間をいう。

例えば、中央部の放電空間におけるプラズマ強度を、他の放電空間内のプラズマ強度よりも大きくする場合、誘電体１３の配列方向の中央部における誘電体１３間の距離を、上記配列方向の端部における誘電体１３間の距離よりも小さくする。

ここで、プラズマ発生体が奇数個存在する場合、すなわち誘電体２３が偶数個存在する場合には、誘電体２３の配列方向の中央部において隣接する２つの誘電体２３の間の距離を上記配列方向の端部における誘電体２３の間の距離よりも小さくし、プラズマ発生体が偶数個の放電空間を有する場合、すなわち誘電体が奇数個存在する場合には、上記配列方向の中央部において隣接する３つの誘電体２３のうち中央の誘電体２３とその中央の誘電体２３に隣接する誘電体２３との間の距離を、上記配列方向の端部における誘電体２３の間の距離よりも小さくする。

なお、誘電体２３が奇数個存在する場合には、中央の誘電体２３に隣接する誘電体２３は２つあるが、これら２つの誘電体２３のうち一方の誘電体２３と中央の誘電体２３との間の距離、および他方の誘電体２３と中央の誘電体２３との間の距離の少なくとも一方を、上記端部における誘電体２３の間の距離よりも小さくすれば、中央部の放電空間内のプラズマ強度を大きくすることができる。すなわち、誘電体の配列方向の中央部における誘電体間の距離、例えば誘電体が奇数個存在する場合には、２つの誘電体２３のうち一方の誘電体２３と中央の誘電体２３との間の距離、および他方の誘電体２３と中央の誘電体２３との間の距離の少なくとも一方を、上記配列方向の端部における誘電体間の距離よりも小さくすれば、中央部の放電空間内のプラズマ強度を大きくすることができる。ここで、誘電体２３の配列方向の端部における誘電体２３の間の距離とは、上記配列方向の端部における誘電体２３と、その誘電体２３に隣接する誘電体２３との間の距離である。

なお、中央部の放電空間におけるプラズマ強度を、他の放電空間内のプラズマ強度よりも小さくする場合も、例えば誘電体が奇数個存在する場合には、２つの誘電体３３のうち一方の誘電体３３と中央の誘電体３３との間の距離、および他方の誘電体３３と中央の誘電体３３との間の距離の少なくとも一方を、上記配列方向の端部における誘電体３３間の距離よりも長くすれば、中央部の放電空間内のプラズマ強度を小さくすることができる。

（第３の実施形態）
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る反応装置１００の構造的な構成を示す概念図である。なお、第１の実施形態と同様の構成については、第１の実施形態と同一符号を付して説明を省略する。

反応装置１００は、第１の実施形態のプラズマ発生体１１を備え、プラズマ発生体１１により被処理流体を処理して排出する装置として構成されている。被処理流体は、例えば、自動車の内燃機関の排気ガスであり、空洞１６（以下、「放電空間」ともいう。）における化学変化によりＮＯｘが分解される。また、例えば、被処理流体は、冷蔵庫やエアコンに冷却媒体として使用されたフロンであり、放電空間１６における化学変化によりフロンが分解される。なお、以下では、反応装置１００のうち、プラズマ発生体１１以外の部分を、反応装置本体部１０１ということがある。

反応装置本体部１０１は、被処理流体を供給する流体源１０３と、流体源１０３からプラズマ発生体１１に被処理流体を導く供給管１０５（供給部の一例）と、プラズマ発生体１により処理された被処理流体を排出する排出管１０７と、被処理流体の流動を制御するための被処理流体用ポンプ１０９と、冷却媒体を供給する冷媒源１１１と、冷媒源１１１からプラズマ発生体１に冷却媒体を導く供給用流動管５０Ａ（冷却部の一例）と、プラズマ発生体１１から冷媒源１１１に冷却媒体を導く排出用流動管５０Ｂと、冷却媒体の流動を制御するための冷却媒体用ポンプ１１３（冷却部の一例）とを備えている。

流体源１０３は、被処理流体としての排気ガスを排出する自動車の内燃機関等、被処理流体を生成するものである。あるいは、流体源１０３は、使用済みの冷蔵庫やエアコンの冷却媒体を保持したタンク等、被処理流体を保持するものである。

供給管１０５は、一端側が、流体源１０３の被処理流体を生成又は保持する空間に連通し、他端側が、プラズマ発生体１１の放電空間１６に連通している。供給管１０５のプラズマ発生体１１側は、放電空間１６の数に対応して第１分岐部１０５ａＡ、第２分岐部１０５ａＢ、第３分岐部１０５ａＣ（以下、単に「分岐部１０５ａ」といい、これらを区別しないことがある。）に分岐し、第１分岐部１０５ａＡ〜第３分岐部１０５ａＣは、それぞれ第１放電空間１６ａ〜第３放電空間１６ｃに連通している。

排出管１０７は、一端側が、プラズマ発生体１１の放電空間１６に、供給管１０５とは反対側から連通し、他端側が、大気に開放され、又は、処理後の被処理流体を保持若しくは処理後の被処理流体に別の処理を施す不図示の空間に連通している。排出管１０７のプラズマ発生体１１側は、放電空間１６の数に対応して第１分岐部１０７ａＡ、第２分岐部１０７ａＢ、第３分岐部１０７ａＣ（以下、単に「分岐部１０７ａ」といい、これらを区別しないことがある。）に分岐し、第１分岐部１０７ａＡ〜第３分岐部１０７ａＣは、それぞれ第１放電空間１６ａ〜第３放電空間１６ｃに連通している。なお、排出管１０７は、省略されてもよい。例えば、処理後の被処理流体が放電空間１６から大気へ直接的に排出されてもよい。

供給管１０５及び排出管１０７は、金属や樹脂などの適宜な材料により形成されている。供給管１０５及び排出管１０７は、可撓性を有していてもよいし、有していなくてもよい。分岐部１０５ａ及び分岐部１０７ａと、放電空間６との接続は、例えば、分岐部１０５ａや分岐部１０７ａの端部を、基体１２における放電空間１６の開口を有していない側面に当接させて、接着剤や螺合部材などの適宜な固定部材により分岐部１０５ａや分岐部１０７ａと基体１２とを固定することにより行われる。なお、分岐部１０５ａや分岐部１０７ａを放電空間１６に嵌合挿入したり、流出用接続管等の突出した環状部分を放電空間１６の端部に基体１２と一体的に形成し、その突出部分を分岐部１０５ａや分岐部１０７ａに嵌合挿入することにより行われてもよい。

被処理流体用ポンプ１０９は、供給管１０５及び排出管１０７の少なくともいずれかに設けられている。図１１では、供給管１０５に設けられた場合を例示している。なお、流体源１０３が内燃機関である場合など、流体源１０３の動力により被処理流体が流動される場合には、被処理流体用ポンプ１０９は省略されてもよい。また、被処理流体用ポンプ１０９は、プラズマ発生体１１に設けることも可能である。被処理流体用ポンプ１０９は、ロータリーポンプや往復ポンプ等の適宜なポンプにより構成されてよい。

冷媒源１１１は、例えば、熱交換器を含んで構成され、排出用流動管５０Ｂからの冷却媒体の温度を熱交換器により降下させて供給用流動管５０Ａに供給する。なお、冷媒源１１１は、冷却媒体を供給することができればよく、排出用流動管５０Ｂからの冷却媒体を受け入れて冷却媒体を循環させるものでなくてもよい。すなわち、排出用流動管５０Ｂからの冷却媒体は、冷媒源１１１とは異なる場所へ排出されてよい。例えば、冷却媒体として水道水が利用されるような場合に、排出用流動管５０Ｂからの水は、冷媒源１１１としての水源とは異なる場所へ排出されてよい。逆に、冷却媒体が循環される構成である場合には、冷媒源１１１は省略されてもよい。

供給用流動管５０Ａは、一端が冷媒源１１１に連通するとともに、他端が、上述のように、流入用接続管等を介してプラズマ発生体１１の空洞１６（流路）に連通している。排出用流動管５０Ｂは、一端が、基体１２に一体的に設けられた流出用接続管等を介してプラズマ発生体１１の空洞１６に連通するとともに、他端が冷媒源１１１に連通している。流動管５０は、金属や樹脂などの適宜な材料により形成されている。流動管５０は、可撓性を有していてもよいし、有していなくてもよい。

冷却媒体用ポンプ１１３は、供給用流動管５０Ａ及び排出用流動管５０Ｂの少なくともいずれかに設けられている。図１１では、供給用流動管５０Ａに設けられた場合を例示している。なお、冷媒源１１１が高位置にあるタンクであり、重力により冷却媒体を流動させることができるなど、適宜に冷却媒体を流動させる動力が得られる場合には、冷却媒体用ポンプ１１３は省略されてもよい。また、冷却媒体用ポンプ１１３は、プラズマ発生体１に設けることも可能である。冷却媒体用ポンプ１１３は、ロータリーポンプや往復ポンプ等の適宜なポンプにより構成されてよい。

図１２は、反応装置１００の電気系の構成を示すブロック図である。ここでは、例として、基体１２の内部に基体１２の温度を検出するための温度検出素子１１５と、基体１２を加熱するためのヒータ１１６とが設けられているものする。また、基体１２の表面に導電体１５に電圧を印加するための導電体用端子１１７、温度検出素子１１５からの電気信号を出力ためのセンサ用端子１１８、ヒータ１１６に電力を供給するためのヒータ用端子１１９がそれぞれ露出しているものとする。

反応装置本体部１０１は、導電体用端子１１７、センサ用端子１１８、ヒータ用端子１１９に接続される装置側導電体用端子１４１、装置側センサ用端子１４３、装置側ヒータ用端子１４５を備えている。プラズマ発生体１１は、これら端子を介して反応装置本体部１０１から電力が供給されて駆動制御される。具体的には、以下のとおりである。

電源部１２１は、例えば、バッテリを含んで構成され、バッテリからの直流電力を適宜な電圧の交流電力又は直流電力に変換して供給する。あるいは、商用周波数の交流電力を適宜な電圧の交流電力又は直流電力に変換して供給する。電源部１２１の電力は、制御部１２３、放電制御部１２５、温度検出部１２７、ヒータ駆動部１２９、被処理流体用ポンプ１０９、冷却媒体用ポンプ１１３に供給される。

放電制御部１２５は、電源部１２１から供給される電力を、制御部１２３からの制御信号に応じた電圧の交流電力に変換し、その変換後の電力を装置側導電体用端子１４１及び導電体用端子１１７を介して導電体１５に供給する。放電制御部１２５は、例えば、インバータや変圧器等の電源回路を含んで構成されている。導電体１５では、放電制御部１２５により印加された電圧に応じた量の放電が行われる。

温度検出部１２７は、例えば、温度検出素子１１５が温度変化により電気抵抗値が変化する抵抗体により構成されている場合、電源部１２１から供給される電力を適宜な電圧の直流電力又は交流電力に変換し、その変換した電力を装置側センサ用端子１４３及びセンサ用端子１１８を介して温度検出素子１１５に供給する。そして、温度検出素子１１５は、温度検出素子１１５の電気抵抗値を検出し、その検出した電気抵抗値に応じた信号を制御部１２３に出力する。温度検出素子１１５は、検出した電気抵抗値に基づいて温度検出素子１１５の温度を算出し、その算出値に応じた信号を制御部１２３に出力してもよい。

ヒータ駆動部１２９は、電源部１２１から供給される電力を、制御部１２３からの制御信号に応じた電圧の直流電力又は交流電力に変換し、その変換した電力を装置側ヒータ用導電体１４５及びヒータ用導電体１３を介してヒータ１１６に供給する。ヒータ駆動部１２９は、例えば、整流回路や変圧器等の電源回路を含んで構成されている。ヒータ１１６では、ヒータ駆動部１２９により印加された電圧に応じた量の発熱が行われる。

被処理流体用ポンプ１０９及び冷却媒体用ポンプ１１３はそれぞれ、例えば、特に図示しないが、ポンプの駆動源としてのモータと、当該モータを駆動するモータドライバとを含んで構成されており、モータドライバは、電源部１２１から供給される電力を、制御部１２３からの制御信号に応じた電圧の交流電力又は直流電力に変換してモータに印加する。モータは、印加された電圧に応じた回転数で回転し、ひいては、印加された電圧に応じた力が被処理流体や冷却媒体に加えられる。

入力部１３１は、ユーザの操作を受け付け、ユーザの操作に応じた信号を制御部１２３に出力する。例えば、入力部１３１は、反応装置１００の駆動開始操作、駆動停止操作、温度設定や流量制御に係る各種のパラメータの設定操作を受け付け、操作に応じた信号を出力する。入力部１３１は、例えば、各種スイッチを含んだ制御パネルやキーボードにより構成されている。

制御部１２３は、例えば、特に図示しないが、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び外部記憶装置を備えたコンピュータにより構成されている。制御部１２３は、温度検出部１２７や入力部１３１からの信号に基づいて、放電制御部１２５、ヒータ駆動部１２９、被処理流体用ポンプ１０９及び冷却媒体用ポンプ１１３に制御信号を出力する。

例えば、制御部１２３は、入力部１３１から反応装置１００の駆動開始操作に応じた信号が入力された場合には、導電体１５への電力の供給を開始するように放電制御部１２５に制御信号を出力し、入力部１３１から反応装置１００の駆動停止操作に応じた信号が入力された場合には、導電体１５への電力の供給を停止するように放電制御部１２５に制御信号を出力する。

また、例えば、制御部１２３は、温度検出部１２７により検出される温度が、プラズマ発生体１１が効率的にプラズマを発生させることができる温度として設定された所定の目標温度に達していないと判定した場合は、導電体１５へ供給する電力を、通常運転時に供給する電力よりも増加させるように、放電制御部１２５に制御信号を出力し、プラズマ発生体１１が目標温度に到達した場合には、導電体１５へ供給する電力を通常運転時に供給する電力に維持するように、放電制御部１２５に制御信号を出力する。

また、例えば、制御部１２３は、温度検出部１２７により検出される温度が、プラズマ発生体１１が効率的にプラズマを発生させることができる温度として設定された所定の目標温度に達していないと判定した場合は、ヒータ１１６へ電力を供給し、又は、ヒータ１１６へ供給する電力を増加させるように、ヒータ駆動部１２９に制御信号を出力する。そして、プラズマ発生体１１が目標温度に到達した場合には、ヒータ１１６へ供給する電力を減少させ、又は、ヒータ１１６への電力の供給を停止するように、ヒータ駆動部１２９に制御信号を出力する。

また、例えば、制御部１２３は、温度検出部１２７により検出される温度と、プラズマ発生体１１が効率的にプラズマを発生させることができる温度、あるいは、プラズマ発生体１１や反応装置本体部１０１が安全に運転される温度として設定された所定の目標温度とを比較し、検出された温度が目標温度よりも高い場合には冷却媒体の流速を高く、低い場合には冷却媒体の流速を低くするように、冷却媒体用ポンプ１１３へ制御信号を出力する。

また、例えば、制御部１２３は、温度検出部１２７により検出される温度が、プラズマ発生体１１が効率的にプラズマを発生させることができる温度として設定された所定の目標温度に達していないと判定した場合は、被処理流体の流速を低く、達したと判定した場合は、被処理流体の流速を高くするように、被処理流体用ポンプ１０９へ制御信号を出力する。

また、例えば、制御部１２３は、温度検出部１２７により検出される温度と、プラズマ発生体１１や反応装置本体部１０１が安全に運転される温度として設定された所定の温度範囲とを比較し、検出された温度が設定された温度範囲を超えた場合には、不図示の表示装置やスピーカ等の報知部に、異常の発生を報知するように制御信号を出力する。

以上の第４の実施形態によれば、反応装置１００は、第１の実施形態のプラズマ発生体１１と、放電空間１６に被処理流体を供給する供給管１０５と、放電空間１６でプラズマ発生を行なって被処理流体を化学変化させた反応流体を排出するための排出管１０７とを備えているから、第１の実施形態と同様に、プラズマ発生体１１の耐久性の向上やプラズマ発生体１１の小型化の効果が得られ、ひいては、反応装置１００の耐久性の向上や小型化の効果が得られる。

なお、本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。例えば、上述においては、自動車、船舶、発電機等に使用されるディーゼルエンジン等の排気ガスの浄化について説明を行っているが、その他の用途に使用されるプラズマ発生体およびその反応装置に適用しても良い。例えば、消臭、ダイオキシン分解、花粉分解等に使用される空気洗浄機器やプラズマエッチング、薄膜装置等に搭載されるプラズマ発生体および反応装置等に適用することができる。また、プラズマ反応により空洞内を通過する流体を反応または分解させるためのプラズマ発生体およびその反応装置に適用することが可能である。

本発明の第１の実施の形態によるプラズマ発生体の構成例を示す斜視図である。 （ａ）は、図１のプラズマ発生体の平面図、（ｂ）は、図１のプラズマ発生体の側面図である。 （ａ）は、図２（ａ）の１Ａ−１Ａ’線における断面図、（ｂ）は、図２（ｂ）の１Ｂ−１Ｂ’線における断面図、（ｃ）は、図２（ｂ）の１Ｃ−１Ｃ’線における断面図である。 本発明の第２の実施の形態によるプラズマ発生体の変形例を示す側面図である。 本発明の第２の実施の形態によるプラズマ発生体の構成例を示す斜視図である。 （ａ）は、図５のプラズマ発生体の平面図、（ｂ）は、図５のプラズマ発生体の側面図である。 （ａ）は、図６（ａ）の２Ａ−２Ａ’線における断面図、（ｂ）は、図６（ｂ）の２Ｂ−２Ｂ’線における断面図、（ｃ）は、図６（ｂ）の２Ｃ−２Ｃ’線における断面図である。 本発明の第２の実施の形態によるプラズマ発生体の変形例を示す斜視図である。 （ａ）は、図８のプラズマ発生体の平面図、（ｂ）は、図８のプラズマ発生体の側面図である。 （ａ）は、図９（ａ）の３Ａ−３Ａ’線における断面図、（ｂ）は、図９（ｂ）の３Ｂ−３Ｂ’線における断面図、（ｃ）は、図９（ｂ）の３Ｃ−３Ｃ’線における断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る反応装置の構成を示す概念図である。 反応装置の電気系の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１１ ：プラズマ発生体
１２ ：基体
１３ ：誘電体
１４ ：支持部
１５ ：導電体
１６ ：空洞
１７ ：外部端子

Claims (7)

1. 一方向に配列された複数の誘電体と、該各誘電体の内部に配設された導電体とを有し、前記導電体間に電圧を印加することにより前記誘電体間にプラズマを発生可能なプラズマ発生体であって、
   前記誘電体は、３つ以上であり、前記導電体は、所定の間隔で配置されており、
   互いに隣接する少なくとも１組の誘電体対における誘電体間の距離が、他の組の誘電体対における誘電体間の距離と異なることを特徴とするプラズマ発生体。
2. 前記誘電体は、４つ以上であり、
   前記誘電体の配列方向の一方の端部における前記誘電体間の距離は、他方の端部における前記誘電体間の距離よりも短いことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生体。
3. 前記誘電体間の距離は、前記誘電体の配列方向において、前記一方の端部から前記他方の端部に向かうにつれて漸次短くなることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ発生体。
4. 前記誘電体は、４つ以上であり、
   前記誘電体の配列方向の中央部における前記誘電体間の距離は、端部における前記誘電体間の距離よりも短いことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生体。
5. 前記誘電体間の距離は、前記誘電体の配列方向において、端部から中央部に向かうにつれて漸次短くなることを特徴とする請求項４に記載のプラズマ発生体。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載のプラズマ発生体を製造するための製造方法であって、前記誘電体および該誘電体の内部に配設された前記導電体を複数のセラミックグリーンシートと該セラミックグリーンシートの間には配設された導電ペーストを同時に焼成することにより形成するプラズマ発生体の製造方法。
7. 請求項１から請求項５のいずれかに記載のプラズマ発生体と、
   前記プラズマ発生体の前記導電体間に交流電圧、若しくはパルス電圧を印加するための電源と、
   前記誘電体間に流体を供給可能な供給部と
   を備えた反応装置。

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