JP2010029794A - 誘電性構造体、誘電性構造体を用いた反応装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマの放電状態を容易に制御することができる誘電性構造体を提供する。
【解決手段】一方向に配列された複数の誘電体（３）と、該各誘電体（３）の内部に設けられた電極（６）とを有し、電極（６）間に電圧を印加することにより誘電体（３）間にプラズマを発生可能な誘電性構造体（１）であって、誘電体（３）の少なくとも１つにおいて、他の誘電体（３）に対向する表面および該表面と電極（６）との間の少なくとも一方に電極に沿って導電体（７）が設けられている。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えばプラズマ発生体として用いられる誘電性構造体およびその誘電性構造体を用いた反応装置、並びに誘電性構造体の製造方法に関する。

プラズマ放電技術は、オゾン発生器、電気集塵装置、空気清浄機、および有害ガス分解装置など幅広い分野において利用されている技術である。このプラズマ放電技術を用いるためのプラズマ発生体として、例えば、一方向に配列された複数の平板状電極を有するものがある。このようなプラズマ発生体においては、電極間に高電圧を印加してプラズマ場を発生させる。このプラズマ場内に流体を通過させると、流体中の物質を分解することが可能となり、例えば排ガスの浄化に用いることができる。なお、電極を絶縁体で覆うことにより、流体による電極の腐食を抑制することができる（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２２１０２６号公報

しかしながら、上述のプラズマ発生体においては、プラズマ放電の起点を制御できず、結果としてプラズマ放電が不均一になる場合があった。つまり、平板状電極で挟まれた空間において放電状態の制御が困難であるという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、プラズマの放電状態を容易に制御することができる誘電性構造体、その誘電性構造体を用いた放電装置、並びに誘電性構造体の製造方法を提供することである。

本発明の誘電性構造体は、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設けられた電極とを有し、前記の電極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である。そして、前記の誘電体の少なくとも１つにおいて、他の前記の誘電体に対向する表面および該表面と前記の電極との間の少なくとも一方に前記の電極に沿って導電体が設けられている。この誘電性構造体を第１の誘電性構造体という。

前記の第１の誘電性構造体において、好ましくは、前記の複数の誘電体のうち対向する少なくとも一組の第１誘電体および第２誘電体において、前記の第１誘電体の前記の第２誘電体に対向する第１表面又は該第１表面と前記の第１誘電体の第１電極との間に該第１電極に沿って複数の第１導電体が設けられ、前記の第２誘電体の前記の第１誘電体に対向する第２表面又は該第２表面と前記の第２誘電体の第２電極との間に該第２電極に沿って複数の第２導電体が設けられ、前記の第１導電体および前記の第２導電体は対向している。この誘電性構造体を第２の誘電性構造体という。

前記の第１の誘電性構造体において、好ましくは、前記の複数の誘電体のうち対向する少なくとも一組の第１誘電体および第２誘電体において、前記の第１誘電体の前記の第２誘電体に対向する第１表面又は該第１表面と前記の第１誘電体の第１電極との間に、該第１電極に沿って複数の第１導電体が設けられ、前記の第２誘電体の前記の第１誘電体に対向する第２表面又は該第２表面と前記の第２誘電体の第２電極との間に、該第２電極に沿って複数の第２導電体が設けられ、前記の第１導電体は、前記の第２導電体の間の領域に対向している。この誘電性構造体を第３の誘電性構造体という。

前記の第１の誘電性構造体において、好ましくは、前記の少なくとも１つの誘電体において、前記の導電体は、前記の電極の外縁に沿って設けられている。この誘電性構造体を第４の誘電性構造体という。

前記の第１の誘電性構造体において、好ましくは、前記の少なくとも１つの誘電体において、前記の電極は貫通孔を有し、前記の導電体は、平面視して、前記の貫通孔に対応する位置に設けられている。この誘電性構造体を第５の誘電性構造体という。

前記の第１乃至第５のいずれかの誘電性構造体において、好ましくは、前記の少なくとも１つの誘電体において、他の前記の誘電体に対向する表面と前記の電極との間に前記の導電体が設けられ、該導電体は複数の導電体層からなる。この誘電性構造体を第６の誘電性構造体という。

前記の第６の誘電性構造体において、好ましくは、平面視したときに、前記の導電体層は、前記の電極から前記の誘電体の表面に向かって面積が小さくなる。この誘電性構造体を第７の誘電性構造体という。

前記の第１乃至第７のいずれかの誘電性構造体において、好ましくは、前記の少なくとも１つの誘電体において、他の前記の誘電体に対向する表面における前記の導電体に対向する領域に触媒が担持されている。この誘電性構造体を第８の誘電性構造体という。

本発明の反応装置は、前記のいずれかに記載の誘電性構造体と、
前記の誘電性構造体の前記の電極間に交流電圧またはパルス電圧を印加するための電源と、前記の誘電体間に流体を供給可能な供給部とを備える。

本発明の製造方法は、前記のいずれかに記載の誘電性構造体を製造するための製造方法であって、前記の誘電体並びに該誘電体に設けられた前記の電極および前記の導電体を、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内部に設けられた第１導電ペーストと、該セラミックグリーンシートの表面および前記のセラミックグリーンシートの間の少なくとも一方に配置された第２導電ペーストとを同時に焼成することにより形成する。

本発明の誘電性構造体によれば、プラズマの放電状態を容易に制御することができる。

本発明の反応装置によれば、プラズマの放電状態を容易に制御することができる反応装置を実現できる。

本発明の誘電性構造体の製造方法によれば、プラズマの放電状態を容易に制御することができる誘電性構造体を製造できる。

以下に、添付の図面を参照して、本発明の誘電性構造体の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の実施の形態では、誘電性構造体をプラズマ発生体として用いる場合について説明する。

（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誘電性構造体の構成例を示す斜視図であり、図２（ａ）は、図１の誘電性構造体の平面図、図２（ｂ）は、図１の誘電性構造体の側面図である。また、図３（ａ）は、図２（ａ）のＡ−Ａにおける断面図、図３（ｂ）は、図２（ｂ）の誘電体３ｂの平面透視図、図３（ｃ）は、図２（ｂ）の誘電体３ｃの平面透視図である。図１から図３に示されるように、本実施の形態による誘電性構造体１は、基体２を備える。この基体２は、一方向に配列された複数の平板状の誘電体３ａ〜３ｄ（以下では、誘電体３ａ〜３ｄを区別せずに、単に「誘電体３」という場合がある。）と、複数の誘電体３を所定の間隔をあけて支持する支持部４とを備える。誘電体３と支持部４は、放電空間となる空洞５を構成する。

さらに、各誘電体３の内部には、電極６ａ，６ｂ（以下では、電極６ａ，６ｂを区別せずに、単に「電極６」という場合がある。）が配設されている。電極６ａ，６ｂは、空洞５を挟んで対向する平板状の電極であり、電極６ａと電極６ｂとの間に電圧を印加することにより、空洞５内にプラズマを発生させることが可能である。また、誘電体３ｂの誘電体３ｃに対向する表面と電極６ａとの間に、電極６ａに沿って、導電体７ａが設けられており、誘電体３ｃの誘電体３ｂに対向する表面と電極６ｂとの間に、電極６ｂに沿って、導電体７ｂが設けられている。これらの導電体７ａ，７ｂは、電極６ａ，６ｂに接続されず、電気的に独立している。

さらに、基体２の端面には、電極６ａに電気的に接続された外部端子８ａと電極６ｂに電気的に接続された外部端子８ｂが設けられる。なお、本明細書で基体２とは、内部に形成された電極６等の他の部品を除いた部分をいい、後述するように誘電性構造体１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および内部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、その積層体のみをいう。

本実施の形態による誘電性構造体１では、隣接する電極６ａと電極６ｂとの間に高電圧を印加して空洞５内にプラズマを発生させ、この空洞５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。

また、本実施の形態による誘電性構造体１では、誘電体３ｂ，３ｃの内部に導電体７ａ，７ｂ（以下では、導電体７ａ，７ｂを区別せずに、単に「導電体７」という場合がある。）を配置し、空洞５において導電体７ａ，７ｂに対向する領域をプラズマ放電の起点としている。このように導電体７ａ，７ｂがプラズマ放電の起点となるのは、導電体７ａ，７ｂが電気的に独立しており、導電性を有するので、電極６ａ，６ｂ間に電圧を印加した場合に電荷の集中が生じやすく、導電体７ａ，７ｂの電位を、周囲の誘電体３の電位と比較して高めることができるからである。すなわち、導電体７ａ，７ｂは、電気的に独立していることにより、電流が流れることが抑制され、電荷が集中しやすい。これにより、誘電体３ｂ，３ｃによって挟まれた空洞５においては、その中央部をプラズマ放電の起点とすることができる。

誘電性構造体１に流体を流した場合、その中央部では流体の速度が速くなる傾向がある。よって、誘電性構造体１の中央部、すなわち誘電体３ｂと誘電体３ｃとの間の空洞５の中央部では、常に一定のプラズマ放電を発生させて、流体をより確実に反応させることが望まれる。誘電体構造体１では、導電体７ａ，７ｂによって誘電性構造体の中央部をプラズマ放電の起点としているため、流体をより確実に反応させることができる。

なお、導電体７は、プラズマ放電を制御したい空洞５に接する誘電体３の表面と、その誘電体３の内部に設けられた電極６との間に設けられる。導電体７は、誘電体３の内部に設けられているため、プラズマおよび流体による腐食を抑制することができる。

基体２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２を製造する場合には、セラミックグリーンシートを準備し、次に準備したセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともに必要に応じて複数枚積層し、高温（約１３００〜１８００℃）で焼成することによって製作される。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（Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（ＳｉＯ２）、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若しく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、空洞５を形成するために、すくなくとも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、電気絶縁材料としては、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。

電極６ａ，６ｂは、空洞５内にプラズマを発生させるための電極として機能する。すなわち、電極６ａ，６ｂは、基体２の表面または内部に、空洞５を挟んで互いに対向するようにそれぞれ形成される。なお、電極６ａ，６ｂは、その端部が基体２の外表面近傍まで導出されており、外部端子８ａ，８ｂに直接に、または補助導電体を介して電気的に接続される。電極６ａ，６ｂ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２用のセラミックグリーンシートの所定の位置に電極６ａ，６ｂ用の導電体ペーストを印刷塗布し、基体２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２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、焼結後の基体２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。

また、導電体７ａ，７ｂは、電極６ａ，６ｂと同様に、導体ペーストをセラミックグリーンシートに塗布して焼成することにより得られる。なお、導電体７ａ，７ｂおよび電極６ａ，６ｂは、それぞれセラミックグリーンシートと同時に焼成されてよい。

なお、図３に示すように、電極６ａ，６ｂは、基体２の内部に空洞５に露出することなく配設するほうがよい。電極６ａ，６ｂを基体２の内部に配設することにより、誘電体３が放電を妨げるバリヤの働きをし、対向する誘電体３間で発生するプラズマがアーク放電となって誘電体３が過熱されて破壊に至ることを抑制できる。

次に、基体２の外表面に形成された外部端子８ａ，８ｂは、外部電源から電極６ａ，６ｂに電圧を印加するための導電路として機能し、基体２の外表面に導出された電極６ａ，６ｂのそれぞれに電気的に接続されている。外部端子８ａ，８ｂ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２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８ａ，８ｂ用の導電体ペーストを印刷塗布し、基体２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１の所定の位置に形成することができる。外部端子８ａ，８ｂ用の導電体ペーストは、電極６ａ，６ｂ用の導電体ペーストおよび導電体７ａ，７ｂ用の導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８ａ，８ｂ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形成しておくことが好ましい。なお、外部端子８ａ，８ｂが酸化腐食するのを抑制するとともに、外部端子８ａ，８ｂと外部電源の電源端子との接合をより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形成されていることが好ましい。なお、外部端子８ａ，８ｂ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形成しておいても構わない。

あるいは、外部端子８ａ，８ｂは、基体２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８ａ，８ｂに電気的に接続し、外部端子８ａ，８ｂを通して電極６ａ，６ｂに電圧を印加すると、電極６ａと電極６ｂとの対向面（平面視して、電極６ａ，６ｂ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、誘電性構造体１の一方側面から他方側面にかけて形成された空洞５内を通過する流体は、電極６ａと電極６ｂとの間のプラズマを通過することとなり、このプラズマにより反応および分解されて、浄化される。例えば、ＮＯ_Ｘ（窒素酸化物）は、酸素濃度が１％程度以下の低酸素条件下において、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が生成されて改質される。

２ＮＯ_２ → ２ＮＯ＋Ｏ_２・・・・・・・・・・（１）
２ＮＯ＋Ｏ_２ → Ｎ_２＋２Ｏ_２・・・・・・・・・・（２）
なお、電極６ａと電極６ｂ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粒子状物質（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、電極６ａ，６ｂ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。

なお、本実施の形態による誘電性構造体１では、対向する誘電体３ｂ，３ｃの内部に導電体７ａ，７ｂを配置したが、対向する誘電体３ｂ，３ｃのうち一方の誘電体３の内部に導電体７を配置してもよい。そのような場合も、空洞５における導電体７に対向する領域がプラズマ放電の起点となる。

一方、対向する誘電体３の内部に導電体７ａ，７ｂを配置し、かつ導電体７ａ，７ｂが対向する位置にあると、対向する導電体７ａ，７ｂの間隔は、対向する電極６ａ，６ｂの間隔と比較して短くなることから、空洞５内の導電体７ａ，７ｂが対向する領域においてより強いプラズマを発生させることができる。

また、導電体７ａと導電体７ｂが対向することにより、導電体７ａ，７ｂの間隔は、対電極６ａ，６ｂの間隔と比較して短くことから、電極６ｂ，６ｃによって挟まれた領域にプラズマを発生させるために必要なエネルギーを低減することが可能になる。

さらに、図４に示すように、各導電体７ａは、複数の導電体層から形成されていてもよい。ここで、図４（ａ）は、誘電体３ｂ，３ｃの断面図、図４（ｂ）は、誘電体３ｂの平面透視図、図４（ｃ）は、誘電体３ｃの平面透視図である。例えば、導電体７ａが、導電体層７ａ１，７ａ２から形成され、導電体７ｂが、導電体層７ｂ１，７ｂ２から形成されている場合、導電体７ａ，７ｂへの電荷の集中効果をより高めることができ、空洞５内の導電体７ａ，７ｂが対向する領域においてより強いプラズマを発生させることができる。また、電極６ｂ，６ｃによって挟まれた領域にプラズマを発生させるために必要なエネルギーを低減することが可能になる。

また、導電体７が複数の導電体層からなる場合、平面視したときに、導電体層の面積は、電極６から誘電体３の表面に向かって小さくなるようにするとよい。この場合、誘電体３の表面に向かって導電体層の面積が小さくなるに従い、電荷の集中効果が高まり、誘電体３の表面に局部的に電荷が集中する領域を作り出すことができる。このように電荷が集中する領域を作ることにより、プラズマが磁場と電流の作用により空洞５の中心部に集中し、過剰なエネルギーが中心部に集中することを抑制することができ、ピンチ効果と呼ばれる現象が発現することを抑制することができる。

また、本実施の形態による誘電性構造体１では、電極６を誘電体３の内部に設け、導電体７を、誘電体３の表面と電極６との間に設けたが、導電体７を誘電体３の該表面に設けてもよい。この場合は、行き場のない電荷が導電体７に留まることにより、導電体７が極性を持つ。よって、プラズマ中で帯電した流体中の粒子が導電体７に引き寄せられる。すなわち、導電体７は、プラズマ放電の起点となってプラズマを発生させると同時に、そのプラズマと反応して帯電した流体中の粒子を集塵することができる。

なお、導電体７を、誘電体３の内部に設けると同時に、誘電体３の表面に設けてもよい。このとき、導電体７が対向する領域では、他の領域よりも、より強いプラズマを発生させることが可能になる。

（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誘電性構造体１１の構成例を示す図であり、図５（ａ）は、誘電性構造体１１の断面図、図５（ｂ）は、誘電体３ｂの平面透視図、図５（ｃ）は、誘電体３ｃの平面透視図である。これらの図は、図３の（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ対応している。

本実施の形態による誘電性構造体１１においては、図５に示すように、導電体７ａ，７ｂが対向しないように、すなわち導電体７ｂを導電体７ａの間の領域に対向するように設けている。このように配置すれば、プラズマ放電の起点となる導電体７を分散させて配置していることから、空洞５の電極６ａ，６ｂによって挟まれる領域において、局所的に強いプラズマが発生することを抑制でき、プラズマ放電がより均一になる。

また、図６に示すように、上面視したときに、電極６ａ，６ｂが重畳した領域を覆うように、導電体７ａ，７ｂが交互に配置されていると、空洞５の電極６ａ，６ｂによって挟まれる領域において、プラズマ放電の制御がより容易になり、均一なプラズマ放電をより容易に発生させることができる。

（第３の実施の形態）
図７は、本発明の第３の実施の形態による誘電性構造体２１の構成例を示す図であり、図７（ａ）は、誘電性構造体２１の断面図、図７（ｂ）は、誘電体３ｂの平面透視図、図７（ｃ）は、誘電体３ｃの平面透視図である。これらの図は、図３の（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ対応している。

本実施の形態による誘電性構造体２１においては、図７に示すように、導電体７ａ，７ｂは、電極６ａ，６ｂの外縁に沿って設けられている。このように、導電体７ａ，７ｂを電極６ａ，６ｂの外縁に沿って設けることにより、導電体７ａ，７ｂの電位を周囲の誘電体３ｂ、３ｃの電位よりも高めることができるので、電極６ａ，６ｂの外縁部を、プラズマ放電の起点とすることができると同時に、電極６ａ，６ｂの外縁部のプラズマ放電の強度を高めることができる。これにより、磁場と電流の作用により、プラズマが空洞５の中心部に集中し、過剰なエネルギーが中心部に集中してしまうピンチ効果と呼ばれる現象が発生することを抑制することができる。

（第４の実施の形態）
図８は、本発明の第４の実施の形態による誘電性構造体３１の構成例を示す図であり、図８（ａ）は、誘電性構造体３１の断面図、図８（ｂ）は、誘電体３ｂの平面透視図、図８（ｃ）は、誘電体３ｃの平面透視図である。これらの図は、図３の（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ対応している。

本実施の形態による誘電性構造体３１において、電極６ａ，６ｂは、貫通孔３２ａ，３２ｂを有し、導電体７ａ，７ｂは、平面視して、その貫通孔３２ａ，３２ｂに対応する位置に設けられている。すなわち、導電体７ａ，７ｂは、電極６ａ，６ｂの貫通孔３２ａ，３２ｂに対向する位置に設けられている。

これにより、電極６ａと導電体７ａ、および電極６ｂと導電体７ｂとの間の浮遊容量等の不要な電気的結合を小さくすることができ、プラズマ放電の際の電気的損失を小さくすることができる。よって、電極６ｂ，６ｃによって挟まれた領域にプラズマを発生させるために必要なエネルギーを低減することが可能になる。なお、導電体７ａ，７ｂが電荷を帯びてプラズマ発生用電極として作用するので、電極６ｂ，６ｃによって挟まれた領域の貫通孔３２ａ，３２ｂに対応する位置にも、プラズマ放電は発生する。

また、対向する導電体７ａ，７ｂの間隔は、対向する電極６ａ，６ｂの間隔と比較して短くなる。よって、空洞５内の導電体７ａ，７ｂが対向する領域においてより強いプラズマを発生させることができる。

また、本実施の形態による誘電性構造体１では、空洞５に接する誘電体３の表面において、導電体７に対向する領域に触媒が坦持されてもよい。このように導電体７に対向する領域に触媒を坦持させることにより、プラズマ放電の際に触媒を活性化させやすくなり、空洞５内を通過する流体の処理効率をより高めることができる。

（第５の実施形態）
図９は、本発明の第５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の実施形態の誘電性構造体１を備え、誘電性構造体１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、空洞５（以下、「放電空間」ともいう。）における化学変化によりＮＯｘが改質される。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、空洞５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、誘電性構造体１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から誘電性構造体１に被処理流体を導く供給管１０５（供給部の一例）と、誘電性構造体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から誘電性構造体１に冷却媒体を導く供給用流動管５０Ａ（冷却部の一例）と、誘電性構造体１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、誘電性構造体１の空洞５に連通している。供給管１０５の誘電性構造体１側は、放電空間５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、それぞれ空洞５Ａ〜空洞５Ｃに連通している。

排出管１０７は、一端側が、誘電性構造体１の空洞５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の誘電性構造体1側は、空洞５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、それぞれ空洞５Ａ〜空洞５Ｃ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空洞５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、空洞５との接続は、例えば、分岐部１０５ａ及び分岐部１０７ａの端部を、基体２における空洞５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及び分岐部１０７ａと基体２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を空洞５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空洞５の端部に基体２と一体的に形成し、その突出部分を分岐部１０５ａ及び分岐部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６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、誘電性構造体１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誘電性構造体１の空洞５（流路）に連通している。排出用流動管５０Ｂは、一端が、基体２に一体的に設けられた流出用接続管等を介して誘電性構造体１の空洞５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６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、誘電性構造体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１０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２の内部に基体２の温度を検出するための温度検出素子１１５と、基体２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２の表面に、電極６に電圧を印加するための外部端子８ａ、８ｂ、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。誘電性構造体１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を介して電極６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。空洞５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の抵抗値を検出し、その検出した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１１９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、導電体用端子１１７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、電極６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、誘電性構造体１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、電極６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、誘電性構造体１が目標温度に到達した場合には、電極６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、誘電性構造体１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、誘電性構造体１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、誘電性構造体１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、誘電性構造体１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、誘電性構造体１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、誘電性構造体１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２の実施形態によれば、反応装置１００は、第１の実施形態の誘電性構造体１と、空洞５に被処理流体を供給する供給管１０５と、空洞５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、誘電性構造体１の耐久性の向上や誘電性構造体１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改質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誘電性構造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誘電性構造体および反応装置等に適用することができる。また、プラズマにより空洞５を通過する流体を反応または分解させるための誘電性構造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誘電性構造体の構成例を示す斜視図である。 （ａ）は、図１の誘電性構造体の平面図、（ｂ）は、図１の誘電性構造体の側面図である。 （ａ）は、図２（ａ）のＡ−Ａにおける断面図、（ｂ）は、図２（ｂ）の誘電体３ｂの平面透視図、（ｃ）は、図２（ｂ）の誘電体３ｃの平面透視図である。 （ａ）は、誘電体３ｂ，３ｃの断面図、（ｂ）は、誘電体３ｂの平面透視図、（ｃ）は、誘電体３ｃの平面透視図である。 本発明の第２の実施の形態による誘電性構造体１１の構成例を示す図であり、（ａ）は、誘電性構造体１１の断面図、（ｂ）は、誘電体３ｂの平面透視図、（ｃ）は、誘電体３ｃの平面透視図である。 本発明の第２の実施の形態による誘電性構造体１１の変形例を示す図であり、（ａ）は、誘電性構造体１１の断面図、（ｂ）は、誘電体３ｂの平面透視図、（ｃ）は、誘電体３ｃの平面透視図である。 本発明の第３の実施の形態による誘電性構造体２１の構成例を示す図であり、（ａ）は、誘電性構造体２１の断面図、（ｂ）は、誘電体３ｂの平面透視図、（ｃ）は、誘電体３ｃの平面透視図である。 本発明の第４の実施の形態による誘電性構造体３１の構成例を示す図であり、（ａ）は、誘電性構造体３１の断面図、（ｂ）は、誘電体３ｂの平面透視図、（ｃ）は、誘電体３ｃの平面透視図である。 本発明の第５の実施形態に係る反応装置の構造的な構成を示す概念図である。 図９の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

１，１１，２１，３１・・・誘電性構造体
２・・・基体
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ・・・誘電体
４・・・支持部
５・・・空洞
６ａ，６ｂ・・・電極
７ａ，７ｂ・・・導電体
８ａ，８ｂ・・・外部端子

Claims (10)

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設けられた電極とを有し、前記電極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誘電性構造体であって、
   前記誘電体の少なくとも１つにおいて、他の前記誘電体に対向する表面および該表面と前記電極との間の少なくとも一方に前記電極に沿って導電体が設けられている誘電性構造体。
2. 前記複数の誘電体のうち対向する少なくとも一組の第１誘電体および第２誘電体において、
   前記第１誘電体の前記第２誘電体に対向する第１表面又は該第１表面と前記第１誘電体の第１電極との間に該第１電極に沿って複数の第１導電体が設けられ、
   前記第２誘電体の前記第１誘電体に対向する第２表面又は該第２表面と前記第２誘電体の第２電極との間に該第２電極に沿って複数の第２導電体が設けられ、
   前記第１導電体および前記第２導電体は対向している請求項１に記載の誘電性構造体。
3. 前記複数の誘電体のうち対向する少なくとも一組の第１誘電体および第２誘電体において、
   前記第１誘電体の前記第２誘電体に対向する第１表面又は該第１表面と前記第１誘電体の第１電極との間に、該第１電極に沿って複数の第１導電体が設けられ、
   前記第２誘電体の前記第１誘電体に対向する第２表面又は該第２表面と前記第２誘電体の第２電極との間に、該第２電極に沿って複数の第２導電体が設けられ、
   前記第１導電体は、前記第２導電体の間の領域に対向している請求項１に記載の誘電性構造体。
4. 前記少なくとも１つの誘電体において、前記導電体は、前記電極の外縁に沿って設けられている請求項１に記載の誘電性構造体。
5. 前記少なくとも１つの誘電体において、前記電極は貫通孔を有し、前記導電体は、平面視して、前記貫通孔に対応する位置に設けられている請求項１に記載の誘電性構造体。
6. 前記少なくとも１つの誘電体において、他の前記誘電体に対向する表面と前記電極との間に前記導電体が設けられ、該導電体は複数の導電体層からなる請求項１から請求項５のいずれかに記載の誘電性構造体。
7. 平面視したときに、前記導電体層は、前記電極から前記誘電体の表面に向かって面積が小さくなる請求項６に記載の誘電性構造体。
8. 前記少なくとも１つの誘電体において、他の前記誘電体に対向する表面における前記導電体に対向する領域に触媒が担持されている請求項１から請求項７のいずれかに記載の誘電性構造体。
9. 請求項１から請求項８のいずれかに記載の誘電性構造体と、
   前記誘電性構造体の前記電極間に交流電圧また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。
10. 請求項１から請求項９のいずれかに記載の誘電性構造体を製造するための製造方法であって、
    前記誘電体並びに該誘電体に設けられた前記電極および前記導電体を、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内部に設けられた第１導電ペーストと、該セラミックグリーンシートの表面および前記セラミックグリーンシートの間の少なくとも一方に配置された第２導電ペーストとを同時に焼成することにより形成する誘電性構造体の製造方法。

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