JP2010507206A5 - - Google Patents

Description

高周波プラズマ生成装置

本発明は全般に気体におけるプラズマ生成に関し、更に具体的には内蔵インダクタンスを有するプラズマ生成装置に関するものである。プラズマ生成は、特にスパークプラグの電極による内燃エンジンの制御された点火に使用されるが、例えば空調方式又は汚染削減システムにおける殺菌にも使用することができる。
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誘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。

このような装置は、仏国特許発明第２８５９８３０号明細書にスパークプラグの形態で具体的に記載されている。この種のスパークプラグは低い内部寄生容量を呈し、高いＱ係数を有する直列共振器を形成している。この装置は、その電極間に高周波電圧を維持してプラズマを生成することができるが、これまでは最適化に問題があった。

このため、本発明の目的はより性能の良い高周波プラズマ生成装置を提案することである。
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ｒ_ｉｎｔのシールド半径ｒ_ｅｘｔ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。

図１はプラズマ生成システムで使用可能なスパークプラグの一例の概略断面図である。 図２はｒ_ｉｎｔ／ｒ_ｅｘｔ比（ｘ）の関数としてのＱ係数（ｙ）の研究を図示したグラフである。

図１は、高周波励起の適用が特に有利であることを立証する表面スパーク型スパークプラグの形態の、従来の高周波プラズマ生成装置の構造を詳細に示す。
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。

表面スパーク型スパークプラグ１１０は、エンジンのシリンダーヘッドに形成された窪みにねじ込まれる金属シェル１０３として機能し、燃焼チャンバの内部に向けて開く低電圧の円筒形電極を備えている。シェル１０３は、アース端子に電気的に接続されている。したがって、シェル１０３は中央に位置する高電圧の円筒電極１０６を囲む。
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。

自動車のイグニッションへの応用には、当業者は燃焼密度での混合において燃焼を起こさせ、その結果生成されたプラズマに抵抗するのに適した材料及び形状の電極及び絶縁体を使用する。
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、誘導コイル１１２の第１端部に接続された接続端子１３１を有する。誘導コイル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。

この実施例における電極１０３及び１０６は、誘電体１００によって分離されている。スパークプラグ１１０に組み込まれた直列共振器は、誘導コイル１１２と、電極１０３及び１０６との間にコンデンサも形成する絶縁要素１００を備えている。コンデンサと誘導コイル１１２は直列に配置されている。直列共振器の直列容量は、コンデンサと、スパークプラグの内部寄生容量とからできている。この電気容量は、インダクタと直列に配置され直列共振器を形成する。インダクタとコンデンサとの間の接続長さが短いと、スパークプラグの寄生容量が低減する。スパークプラグ１１０はしたがって電極１０３及び１０６の間のＡＣ電圧を所望の周波数範囲、好ましくは１ＭＨｚ〜２０ＭＨｚに維持するのに使用される。

スパークプラグに組み込まれた直列共振器は好ましくは、スパークプラグをより簡単に製造できるように単一の誘導コイル１１２を有している。
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。単一の誘導コイル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。

スパークプラグはまた有利には、アース端子に接続され誘導コイル１１２を囲むシールド１３２を備えている。力線はしたがってシールド１３２内部でそれ自体で閉じている。シールド１３２はしたがってスパークプラグ１１０の寄生電磁放射線を低減する。コイル１１２は実際に電極間に印加される高周波励起で強度の電磁場を発生させることができる。これらの電磁場は特に、車両搭載のシステムを混乱させる、又は排気ガス基準で規定された閾値レベルを超過する可能性がある。シールド１３２は好ましくは銅又は銀等の高い伝導率を有する非鉄金属からできている。特に、導電ループをシールド１３２として使用することが可能である。

コイル１１２及びシールド１３２は好ましくは、１より大きい誘電係数、好ましくはエネルギーを消散させる絶縁破壊又はコロナ放電の危険性を更に減らすための優れた誘電強度を有する好適な誘電体からできた絶縁スリーブ１３３によって分離されている。当然ながら、エネルギーの消散が少ないほど、電極間に印加される電圧の振幅が大きく、スパークプラグの寿命も長くなる。誘電体は例えばＥｌａｓｔｏｓｉｌ Ｍ４６０１、Ｅｌａｓｔｏｓｉｌ ＲＴＶ−２又はＥｌａｓｔｏｓｉｌ ＲＴ６２２（後者の耐電圧は２０ｋＶ／ｍｍ、誘電率は２．８である）の名称で売られているシリコン樹脂の一つであってよい。スリーブ１３３の外部表面を金属化して上述したシールド１３２を形成することもできる。

一般に、絶縁性及び／又は非磁性、好ましくは両方の性質を有する材料からできた固体要素１３４の周囲に巻きつけたコイル１１２が好ましい。これにより、絶縁破壊と寄生容量の危険性が低減する。
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。

高周波励起はまた、密度が１０^−２ｍｏｌ／ｌ〜５×１０^−２ｍｏｌ／ｌの範囲である気体中のプラズマ堆積の応用にも好適である。この応用において使用される気体は通常、窒素又は空気、特に外気であってよい。
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。

本発明によれば、Ｑ係数、Ｑ＝Ｌｗ／Ｒを最適化するためには、インダクタンスを表すＬと抵抗を表すＲを決定する必要がある。このためには、長方形に巻かれた長いコイルのモデルが適応されてきた。
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：
Ｂ_ｅｘｔ ＝ Ｂ_ｉｎｔ × ｒ^２ _ｉｎｔ／（ｒ^２ _ｅｘｔ−ｒ^２ _ｉｎｔ）
ここで、ｒ_ｉｎｔはコイル半径、ｒ_ｅｘｔはシールド半径、Ｂ_ｉｎｔはコイル内の磁場、Ｂ_ｅｘｔはコイルとシールドの間の磁場である。

電流の分布が全面的に表面面積に依存するということを受け入れ、ナビエ・ストークス方程式を応用しμ_０Ｂの幅の二乗回路が表面を交差するピッチに等しいとすると、下記方程式が成り立つ：
Ｉ_ｅｘｔ ＝ Ｂ_ｅｘｔ／（μ_０×ｐｉｔｃｈ）
及び
Ｉ_ｉｎｔ ＝ Ｂ_ｉｎｔ／（μ_０×ｐｉｔｃｈ）

Ｉ ＝ Ｉ_ｉｎｔ ＋ Ｉ_ｅｘｔ 及び ｘ ＝ ｒ_ｉｎｔ／ｒ_ｅｘｔ
とすると、下記結果となる
Ｉ_ｉｎｔ／Ｉ ＝ １ − ｘ^２ 及び Ｉ_ｅｘｔ／Ｉ ＝ ｘ^２
ここで、Ｉは電流、Ｉ_ｅｘｔはシールド内の電流、そしてＩ_ｉｎｔはコイル内の電流を表す。

コイル半径のシールド半径に対する比を示す変数ｘはこれにより表すことができ、Ｑ＝Ｌｗ／Ｒを最大化するｘの値を導き出すためにここでＲとＬをｘの関数として表すことが必要になる。

損失エネルギー収支により下記方程式が成り立つ：

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。

しかしながら、テストの実施、及び曲線から示されるように、コイル半径のシールド半径に対する比が０．５〜０．６の範囲にあるということは、Ｑ係数を大幅に改善することが可能であり非常に満足な結果であると考えられる。
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)

1. 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）で囲まれた誘導コイル（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（ｒ_ｅｘｔ）に対するコイルの半径（ｒ_ｉｎｔ）の比が０．５〜０．６であることを特徴とする装置。
2. 直列共振器が単一の誘導コイル（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。
3. 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。
4. シールド（１３２）と誘導コイル（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１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. 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４に記載の装置。
6. シールドが導電ループを備えていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. 誘導コイル（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１〜６のいずれか１項に記載の装置。
8. 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５又は７に記載の装置。
9. 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１〜８のいずれか１項に記載の装置。
10. 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。
11. 空調方式における殺菌に用いられる請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置の使用方法。