JP2010507206A - 高周波プラズマ生成装置 - Google Patents
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Abstract
Description
更に具体的には、本発明は2つの電極と、共振周波数が1MHzよりも高い直列共振器とを備えるプラズマ生成装置に関するものであり、この装置では、直列共振器が、直列に配置された、2つの端子を有するコンデンサとシールドで囲まれた伝導コイルとから構成されており、電極はコンデンサの各端子に接続されている。
この目的を達成するために、本発明の装置は、上の前文によって与えられた定義によれば、基本的にコイル半径rintのシールド半径rextに対する比が0.5〜0.6であり、好ましくは0.56に等しいことを特徴とする。
本発明の更なる特徴及び利点は、非限定的な例示目的で記載された下記の説明を読み図面を観察することによりはっきりと明示される。
スパークプラグ110は自動車の内燃エンジン105のシリンダーヘッド104に固定することが可能である。
電極106は、絶縁スリーブ100によってシェル103から絶縁されている。絶縁スリーブは例えばセラミックのような、比誘電率が1よりも大きい材料からできている。スパークプラグには誘電体100を電極103の一端から分離するギャップ105がある。
図1はまた、上述した従来技術文献に記載したものと同様の直列共振器を有利に組み込んだスパークプラグの断面図も示す。スパークプラグ110は、伝導コイル112の第1端部に接続された接続端子131を有する。伝導コイル112の第2端部は、高電圧電極106の内端部に接続されている。この端部はまた、コンデンサを構成する絶縁要素111と接触している。
単一コイル112の高い巻数は50μH単位のインダクタンスを得るのに必要である。ここで、高い巻数は寄生容量を発生させる。単一の伝導コイル112は好ましくは、一つの軸(鎖線で識別される)を有し、その軸に沿って重なった複数の巻き線からできている。したがって当然ながら、一巻きの突出部はこの軸に沿った全ての巻き線の突出部と同じである。寄生容量はしたがって、半径方向に巻線を重ねないことで制限することができる。
上記装置を使用して形成されたプラズマには、層状燃焼システムでの失火率の大幅な低減、電極消耗の低減、又はイグニッション開始量の密度に合わせた調整を含む、自動車のイグニッションにおける多数の利点がある。
高周波励起は、密度が10−2mol/l〜5×10−2mol/lの範囲である気体の汚染の低減への応用に更に適している。
高周波励起はまた、モル密度が0.2〜1mol/lの範囲である気体中での点火への応用にも好適である。
コイル112のワイヤを通って流れる電流は、この磁場における比でワイヤの内部表面及び外部表面の間に分散する。コイルが十分長いと思われるときは、シールドがあるおかげで、コイルサポートにおける磁場とコイルとシールドとの間の空間は同一である。コイルとシールドとの間の空間における流量はしたがって、コイルサポートでの流量と実質的に等しいため、磁場は断面における比を有し、下記方程式が成り立つ:
Bext = Bint × r2 int/(r2 ext−r2 int)
ここで、rintはコイル半径、rextはシールド半径、Bintはコイル内の磁場、Bextはコイルとシールドの間の磁場である。
Iext = Bext/(μ0×pitch)
及び
Iint = Bint/(μ0×pitch)
I = Iint + Iext 及び x = rint/rext
とすると、下記結果となる
Iint/I = 1 − x2 及び Iext/I = x2
ここで、Iは電流、Iextはシールド内の電流、そしてIintはコイル内の電流を表す。
すなわち次の式が成り立つ:
加えて、インダクタンスLは下記のように計算できる:
したがって、Q係数は下記方程式に等しい:
式
が成り立つことを踏まえて、下記方程式が成り立つと推定できる:
したがって、
とすることにより、この関数の研究から図2に示すグラフが得られ、多項式分数における最大値はx=0.56のときのy=0.516において位置することが確立される。
したがって結論としては、この計算の結果、Q係数の最大値を得るためには、コイル半径のシールド半径に対する比が0.56である必要があることが明らかである。
このパラメータはしたがって、例えばエンジンのスパークプラグ等の全ての種類の高周波プラズマ生成装置におけるQ係数の最適化を可能にする。
上記比の範囲をコイルの直径とシールドの直径との関係に適用することは、好適な一実施形態によれば、エンジンのスパークプラグに適用可能であるが、全ての高周波プラズマ生成装置にも適用可能であることを指摘することは重要である。
Claims (11)
- 2つの電極(103、106)、及び、2つの端子を有するコンデンサ(111)とシールド(132)で囲まれた伝導コイル(112)との直列接続から構成される1MHzよりも高い共振周波数を有する直列共振器を備えたプラズマ生成装置(110)であって、電極はコンデンサの各端子に接続されており、シールドの半径(rext)に対するコイルの半径(rint)の比が0.5〜0.6であり、好ましくは0.56に等しいことを特徴とする装置。
- 直列共振器が単一の伝導コイル(112)を備えていることを特徴とする、請求項1に記載の装置。
- 直列共振器が1〜20MHzの共振周波数を有することを特徴とする、請求項2に記載の装置。
- 高周波プラズマ生成装置がエンジンのスパークプラグであることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の装置。
- シールド(132)と伝導コイル(112)が、1よりも大きい誘電係数を有する材料から作製された絶縁スリーブ(133)によって分離されていることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の装置。
- 絶縁スリーブの外部表面(132)が金属化されシールドを構成していることを特徴とする、請求項5に記載の装置。
- シールドが伝導ループを備えていることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の装置。
- 伝導コイル(112)が非磁性材料から作製された固体要素(134)の周りに巻きつけられていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の装置。
- 前記絶縁材料の一つの耐電圧が20kV/mmよりも高いことを特徴とする、請求項6又は8に記載の装置。
- 自動車の内燃エンジンにおける燃焼点火に用いられる、請求項1〜9のいずれか1項に記載の装置の使用方法。
- 空調方式における殺菌に用いられる請求項1〜10のいずれか1項に記載の装置の使用方法。
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