JP2012120677A - プラズマ発生方法及びプラズマ発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】付着菌の殺菌と脱臭の両方を水蒸気や微小液滴存在下でも同時に実現する。
【解決手段】一対の電極２１、２２を有し、それら電極２１、２２間に所定電圧が印加されてプラズマ放電するものにおいて、各電極２１、２２の対応する箇所にそれぞれ流体流通孔２１ｂ、２２、を設けてこれらが貫通するように構成するとともに、当該流体流通孔２１ｂ、２２ｂ及びその近傍に生じるプラズマに水蒸気又は微小液滴を作用させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、プラズマ発生方法及びプラズマ発生装置に関するものである。

近年のアトピー、ぜんそく、アレルギー症状保有者の増大や新型インフルエンザの爆発流行などにみられる感染性のリスク増大などによって、殺菌や脱臭など生活環境の空気質制御ニーズが高まっている。また生活が豊かになるにつれて、保管食品の量の増大や食べ残し食品の保管機会が増加しており、冷蔵庫に代表される保管機器内の環境制御も重要性を増している。

生活環境の空気質制御を目的とする従来技術は、フィルターに代表されるような物理的制御が一般的である。物理的制御は、空気中に浮遊する比較的大きな埃や塵、フィルター孔の大きさによっては、細菌やウィルスなども捕獲できる。また、活性炭のように無数の吸着サイトがある場合は、悪臭の臭気分子も捕獲可能である。しかし、捕獲するためには制御対象の空間内の空気を満遍なくフィルターに通す必要があり、装置が大型化し、フィルター交換等の維持コストもかさむという難点があるうえに、付着物に対しては効果が無い。そこで、付着物に対し殺菌や脱臭を可能とする手段として、化学的活性種を殺菌や脱臭を行いたい空間に放出することがあげられる。薬品の散布や芳香剤、消臭剤の放出では、あらかじめ活性種を用意する必要があり、定期的な補充が不可欠である。それに対し、大気中にプラズマを発生させそこで生成される化学的活性種を利用し、殺菌や脱臭を試みる手段が近年増えてきている。

大気中にプラズマを放電により発生させ、そこで生成されたイオンやラジカル（以下、活性種）によって殺菌や脱臭を行う技術は、次の２つの形式に分類できる。
（１）大気中に浮遊する菌やウィルス（以下、浮遊菌）、もしくは悪臭物質（以下、臭気）を装置内の限られた容積内で活性種と反応させる、いわゆる受動型のプラズマ発生装置（例えば、特許文献１）
（２）プラズマ発生部で生成された活性種を（１）よりも容積の大きな閉空間（例えば、居室、トイレ、乗用車の車内等）へ放出し、大気中での活性種と浮遊菌や臭気との衝突により反応させる、いわゆる能動型のプラズマ発生装置（例えば、特許文献２）

（１）の受動型のプラズマ発生装置の利点は、小容積内でプラズマを発生させて高濃度の活性種が生成されるため、高い殺菌効果及び脱臭効果が期待される。一方、欠点としては浮遊菌や臭気を装置内に導入する必要があるため、装置が大型化し、またプラズマ発生から副生成物としてオゾンが発生しやすく、オゾンを装置外に漏洩させないために、吸着もしくは分解するフィルターを別途設置する必要がある。

次に、（２）の能動型のプラズマ発生装置の利点は、装置を比較的小さくでき、浮遊菌の殺菌や空気中の臭気の分解に加え、衣類や生活用品の表面に付着した菌（以下、付着菌）の殺菌や表面に吸着した臭気の分解も期待できる点である。一方、欠点としては、活性種が装置の体積に比べて非常に大きな閉空間内に拡散されることから濃度が低くなるため、寿命の長い活性種のみに殺菌や脱臭の効果を期待せざるを得ない点である。その結果、臭気濃度の高い空間（活性種濃度に対して１万倍程度高い濃度）においてはほとんど脱臭効果が期待できないことになる。

以上のことから、受動型のプラズマ発生装置では、当該装置に流入する空気流に含まれる浮遊菌や臭気に対してのみ効果が限定され、能動型のプラズマ発生装置では濃度の低い浮遊菌、付着菌、臭気に対しての効果しか期待できない。しかも従来技術においては、高湿度状態ではプラズマ発生装置の性能低下によってイオンやラジカルの生成量が減少してしまうという大きな問題がある。即ち、従来技術を利用し実現できることは、「常湿度状態での浮遊菌の殺菌と脱臭」、あるいは「常湿度状態での濃度の低い浮遊菌、付着菌の殺菌および付着臭気の脱臭」のどちらかに限定されることになる。

ところが、日常生活では、高湿度環境下で水蒸気や微小液滴が存在する状況下において、付着菌の殺菌と高濃度臭気の脱臭とを同時に行いたい状況がいくつかある。最も典型的な例は水取扱の家庭電化製品である。例えば洗濯機は通常高湿度下にあり、洗濯槽表面には付着した雑菌が存在し、洗濯機内部には残留した水や洗剤が腐敗したことによって発生する臭気も同時に存在する。また食器洗浄機なども食品カスの残留などによって雑菌や異臭が発生してしまう例もある。

特開２００２−２２４２１１号公報 特開２００３−７９７１４号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決すべくなされたものであり、付着菌の殺菌と脱臭の両方を、例えば高湿度環境下における水蒸気や微小液滴存在下でも同時に実現するものである。具体的に本発明は、活性種の生成量を増やすとともに、この活性種と水蒸気や微小液滴との相互作用により機能性ミストを発生させることによって、脱臭する受動型の機能と、その機能性ミストを装置の外に放出し、付着菌を殺菌する能動型の機能の二つを同時に兼ね備えさせることを主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係るプラズマ発生方法は、一対の電極を有し、それら電極間に所定電圧が印加されてプラズマ放電するものにおいて、各電極の対応する箇所にそれぞれ流体流通孔を設けてこれらが貫通するように構成するとともに、当該流体流通孔及びその近傍に生じるプラズマに水蒸気又は微小液滴を作用させることを特徴とする。なお、本明細書でいう対応する箇所とは、電極の面板方向から視て、双方の電極に形成された各流体流通孔が実質的に同じ位置にあることをいい、直交座標系においてｚ軸方向よりｘｙ平面状の一対の電極を見たときに、双方の電極において略同じ（ｘ、ｙ）の座標位置であることをいう。

このようなものであれば、対応する各流体貫通孔において発生するプラズマの量を可及的に多くすることができ、このプラズマと流体との接触面積を可及的に大きくできることから活性種の発生量を多くすることができる。またプラズマと水蒸気又は微小液滴との接触面積を可及的に大きくすることができる。そして、水蒸気や微小液滴が流体流通孔において発生した活性種と接触し、水蒸気や微小液滴に活性種が帯電もしくは混合し、機能性ミストとなって装置外部に放出される。このように機能性ミストが外部に放出されることから、浮遊菌及び付着菌を殺菌することができる。また、プラズマで発生した活性種の発生量を多くすることができるので、脱臭機能を十分に発揮することができる。

また本発明に係るプラズマ発生方法は、一対の電極を有し、電極間に所定電圧が印加されてプラズマ放電するものにおいて、一方の電極に貫通孔を設けてこの貫通孔が他方の電極によってその対向面側の開口が塞がれるように構成し、前記貫通孔の対向面側とは反対側の開口及びその近傍に生じるプラズマに水蒸気又は微小液滴を作用させることを特徴とする。

このようなものであれば、貫通孔を介してプラズマの量を可及的に多くすることができ、このプラズマと流体との接触面積を可及的に大きくすることができることから、活性種の発生量を多くすることができる。またプラズマと水蒸気又は微小液滴との接触面積を可及的に大きくすることができる。これにより、機能性ミストの発生量を増やすことでき、浮遊菌及び付着菌を殺菌することができる。また、プラズマで発生した活性種の発生量を多くすることができるので、脱臭機能を十分に発揮することができる。

ここで微小液滴の粒径が１００μｍ以下であることが望ましい。このように１００μｍ以下とする理由は、一対の電極において、電極間距離は１００μｍ以下であるため、１００μｍ以上の水蒸気や微小液滴では過大で作用することができないためである。また、１００μｍを超えたものは、たとえば雨のような水滴状のものとなり、流体に含まれずに自重によって落下し機能性ミストを生成できなくなるからである。

流体貫通孔を通過した流体に含まれる活性種の数を可及的に増大させて機能性ミストの生成量を増大させると共に、発生するオゾンの濃度を抑制するためには、前記各電極に印加する電圧をパルス形状とし、そのピーク値を１００Ｖ以上５０００Ｖ以下の範囲内とし、且つパルス幅を０．１μ秒以上かつ３００μ秒以下の範囲内としていることが望ましい。

水蒸気又は微小液滴の具体的な供給態様としては、前記一対の電極の温度が所定値以上にとなった場合に、水蒸気又は微小液滴を供給するものであることが望ましい。つまり、一対の電極の温度が所定値以上に上昇した場合には、雰囲気下の水分量又は電極に付着した水分量が低下したと判断して、水蒸気又は微小液滴を供給する。

また前記一対の電極の温度が所定値以下となった場合に、前記一対の電極の少なくとも一方の電極に設けた加熱部により電極加熱を行うものであることが望ましい。これならば、電極に付着した水分量が充足若しくは過多になったと判断できるため、水蒸気や微小液滴の供給を行わずに電極を加熱させて付着水分を蒸発させることができる。こうすることで、電極は水分によって性能低下が起こらず、かつ常に水蒸気や微小液滴を流体流通孔に作用することが可能となる。

また本発明に係るプラズマ発生装置は、対向面の少なくとも一方に誘電体膜を設けた一対の電極と、前記電極間に所定電圧を印加してプラズマ放電させる電圧印加手段と、各電極の対応する箇所にそれぞれ設けられて全体として貫通するように構成した流体流通孔とを具備し、この流体流通孔を流体が通過するときに前記プラズマと触れてイオン又はラジカルが発生するように構成したプラズマ発生装置において、前記流体流通孔及びその近傍に生じるプラズマに水蒸気又は微小液滴を供給する供給機構を有することを特徴とする。

ここで、前記一対の電極のうち少なくとも一方に誘電体膜を設けていることにより、各電極間にプラズマ形成用の空隙を形成するためのスペーサを不要としながらも、対向面間に空隙が形成することができる。

流体流通孔を流れる流体とプラズマとの接触面積を可及的に大きくして機能性ミストの生成量を増大させるためには、電極の面板方向から視たときに、対応する各流体貫通孔の輪郭の少なくとも一部が互いに異なる位置にあることが望ましい。

対応する各流体貫通孔の輪郭を互いに異なる位置にするための具体的な実施の態様としては、前記一対の電極のうち一方の電極に形成された流体流通孔の開口サイズが、他方の電極に形成された流体流通孔の開口サイズよりも１０μｍ以上小さく形成されていることが望ましい。その他、同一の開口サイズを有する流体貫通孔をそれらの開口中心がずれるように配置しても良い。

前記流体貫通孔を通過する流体又は通過した流体の脱臭及びそれらに含まれる浮遊菌の殺菌又は放出される活性種の量を多くして機能性ミストの生成量を増大するためには、前記流体流通孔とは別に、一方の電極に貫通孔を設けてこの貫通孔が他方の電極によってその対向面側の開口が塞がれるように構成していることが望ましい。これならば、流体流通孔を通過した後の流体、水蒸気又は微小液滴が貫通孔に流入してプラズマと接触し、或いは、流体流通孔を通過する前の流体、水蒸気又は微小液滴が貫通孔に流入してプラズマと接触することにより発明の効果を一層顕著にすることができる。

貫通孔の具体的な実施の態様としては、前記貫通孔の開口サイズを、前記流体流通孔の開口サイズよりも１０μｍ以上小さく形成していることが望ましい。

前記誘電体膜の表面粗さを０．１μｍ以上１００μｍ以下としていることが望ましい。これならば、一対の電極に対しスペーサを用いずに積層した場合であっても、その表面粗さに依ってプラズマが生成される空間を形成することができる。

流体が効率的に流体流通孔を通過するようにして活性種の発生を促進すると共に、脱臭効果を増大させるためには、前記流体流通孔に向かって強制的に風を送る送風機構を有することが望ましい。

ここで、前記送風機構により前記流体流通孔を通過させる風の流速を０．１ｍ／ｓ以上１０ｍ／ｓ以下の範囲内としていることが望ましい。流速が０．１ｍ／ｓ未満であれば、流体が流体流通孔を通過する効率が悪く、一方１０ｍ／ｓより大きければ、流体とプラズマとの反応を充分に行わせることができない。

一対の電極が水分によって性能低下しないために、前記一対の電極のうち少なくとも一方の表面に水滴の接触角が９０度以上になるように撥水性を持たせる。プラズマ電極に水分が過多に接触しても、印加電圧が一定に保たれ、活性種の発生量を高く維持させるために、前記一対の電極のプラズマ発生面上が撥水性であることが望ましい。

また、脱フロン対応の冷蔵庫には冷媒として可燃性ガスを使用している場合があり、従来技術に見られるような高電圧を必要とするプラズマ発生させる装置類を、そのような可燃性ガスが使用された冷蔵庫に適用することは、安全性に問題がある。使用されている可燃性冷媒が冷蔵庫内に漏洩する可能性があり、その雰囲気中で高電圧が原因となるスパークが発生すると着火し、爆発事故を招きかねない。そこで、前記一対の電極の外側に配置された保護カバーを有し、可燃性ガスが前記流体流通孔に流入してプラズマによって生じた火炎が、前記保護カバーを越えて外部に伝播しないように構成した防爆機構を有することが望ましい。

脱臭及び殺菌の能力を低下させることなく安全性を確保するためには、保護カバーが、前記一対の電極の外側に配置された金属メッシュを有し、当該金属メッシュの線径が１．５ｍｍ以下の範囲内であり、且つ金属メッシュの開口率が３０％以上であることが望ましい。

このように構成した本発明によれば、付着菌の殺菌と脱臭の両方を水蒸気や微小液滴存在下でも同時に実現することができる。

本発明のプラズマ発生装置の一実施形態を示す斜視図。 プラズマ発生装置の作用を示す模式図。 電極部を示す平面図。 電極部及び防爆機構を示す断面図。 電極部の対向面の構成を示す拡大断面図。 流体流通孔及び貫通孔を模式的に示す部分拡大平面図及び断面図。 電極形状による単位周長当たりのイオン数密度（対称形に対する比）を示す図。 貫通孔による単位周長当たりのイオン数密度（対称形に対する比）を示す図。 イオン数密度とオゾン濃度とのパルス幅依存性を示す図。 相対湿度とイオン数密度との相関を示す図。 大腸菌の殺菌試験結果を示す写真。 プラズマ生成と脱臭反応場とを示す断面図。 放出された活性種及び機能性ミストによる付着菌殺菌の概略図。 異常時のプラズマによる着火と防爆機器による火炎伝播防止の概略図。 防爆能力とイオン放出性能を満たす金属メッシュのパラメータ領域を示す図。 加熱部を有する電極部の構成を示す断面図。

以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係るプラズマ発生装置１００は、例えば冷蔵庫、洗濯機、衣類乾燥機、掃除機、空調機又は空気清浄機等の家庭電化製品に用いられ、特に高湿度環境下においても使用可能なものであり、当該家庭電化製品の内部又は外部の空気の脱臭やそれら製品内部又は外部の浮遊菌又は付着菌を殺菌する殺菌脱臭装置として用いられる。

具体的にこのものは、図１及び図２に示すように、マイクロギャッププラズマ（Micro Gap Plasma）によりイオンやラジカル等の活性種を生成させるプラズマ電極部２と、当該プラズマ電極部２の外部に設けられて当該プラズマ電極部２に強制的に風（空気流）を送る送風機構３と、プラズマ電極部２に微小液滴（ミスト）を供給する微小液滴供給機構４と、前記プラズマ電極部２の外部に設けられてプラズマ電極部２で生じる火炎が外部に伝播しないようにする防爆機構５、およびプラズマ電極部２に高電圧を印加するための電源６とを備えている。

以下、各部２〜６について各図を参照して説明する。

プラズマ電極部２は、図２〜図６に示すように、対向面に誘電体膜２１ａ、２２ａを設けた一対の電極２１、２２を有し、それら電極２１、２２間に所定電圧が印加されてプラズマ放電するものである。各電極２１、２２は、特に図３に示すように、平面視において（電極２１、２２の面板方向から見たときに）概略矩形状をなすものであり、例えばＳＵＳ４０３といったステンレス鋼から形成されている。なお、電極部２の電極２１、２２の縁部には、電源６からの電圧が印加される印加端子２Ｔが形成されている（図３参照）。ここで電源６によるプラズマ電極部２への電圧印加方法は、各電極２１、２２に印加する電圧をパルス形状とし、そのピーク値を１００Ｖ以上５０００Ｖ以下の範囲内とし、且つパルス幅を０．１μ秒以上かつ３００μ秒以下の範囲内としている。

また、図５に示すように、電極２１、２２の対向面には、例えばチタン酸バリウム等の誘電体が塗布されて誘電体膜２１ａ、２２ａが形成されている。この誘電体膜２１ａ、２２ａの表面粗さ（本実施形態では算出平均粗さＲａ）は０．１μｍ以上１００μｍ以下である。この他表面粗さとしては、最大高さＲｙ、十点平均粗さＲｚを用いて規定しても良い。このように誘電体膜２１ａ、２２ａの平面粗さを上記範囲内の値にすることによって、各電極２１、２２を重ね合わせるだけで、対向面間に空隙が形成されて、当該空隙内にプラズマが発生することになる。これにより、各電極２１、２２間にプラズマ形成用の空隙を形成するためのスペーサを不要としている。なお、前記誘電体膜２１ａ、２２ａの表面粗さは、溶射法によって制御することが考えられる。また、電極に塗布する誘電体としては、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化マグネシウム、チタン酸ストロンチウム、酸化シリコン、燐酸銀、チタン酸ジルコン酸鉛、シリコンカーバイド、酸化インジウム、酸化カドミニウム、酸化ビスマス、酸化亜鉛、酸化鉄、カーボンナノチューブなどを用いてもよい。

また、プラズマ電極部２が水分によって性能低下しないために、一対の電極２１、２２のうち少なくとも一方の対向面表面に水滴の接触角が９０度以上になるように撥水性を持たせている。本実施形態では、プラズマ電極部２に水分が過多に接触しても、印加電圧が一定に保たれて活性種発生量を高く保持させるために、図５に示すように、電極２１、２２の対向面、つまり、電極２１、２２の誘電体膜２１ａ、２２ａの表面に撥水性を持たせている。撥水性を持たせるための具体例としては、例えばフッ素系樹脂混合溶剤を電極２１、２２の誘電体膜２１ａ、２２ａ上に薄く塗布後乾燥させることで形成された撥水性物質からなる撥水性薄膜２Ｍである。この撥水性薄膜２Ｍは、プラズマ発生部である誘電体膜２１ａ、２２ａを微小に複数露出させた薄膜であり、プラズマ発生状態は変化せず、水分はその薄膜によって撥水させることができる。

さらに図３、図４及び図６に示すように、各電極２１、２２の対応する箇所にそれぞれ流体流通孔２１ｂ、２２ｂを設けてこれらが連通して貫通するように構成するとともに、電極２１、２２の面板方向から視たときに（平面視において）、対応する各流体貫通孔２１ｂ、２２ｂの輪郭の少なくとも一部が互いに異なる位置となるように構成されている。つまり、一方の電極２１に形成された流体流通孔２１ｂの平面視形状と、他方の電極２２に形成された流体流通孔２２ｂの平面視形状とが互いに異なるように構成されている。

具体的には、各電極２１、２２の対応する箇所にそれぞれ形成された流体流通孔２１ｂ、２２ｂは、平面視において概略円形状をなすものであり（図３、図６参照）、一方の電極２１に形成された流体流通孔２１ｂの開口サイズ（開口径）が、他方の電極２２に形成された流体流通孔２２ｂの開口サイズ（開口径）よりも小さく（例えば開口径が１０μｍ以上小さく）形成されている。

また、同じく図３、図６に示すように、一方の電極２１に形成された流体流通孔２１ｂと他方の電極２２に形成された流体流通孔２２ｂとは同心円状に形成されている。なお、本実施形態では、一方の電極２１に形成された複数個の流体流通孔２１ｂは全て同一形状をなし、他方の電極２２に形成された複数個の流体流通孔２２ｂも全て同一形状をなし、一方の電極２１に形成された流体流通孔２１ｂ全てが、他方の電極２２に形成された流体流通孔２２ｂよりも小さく形成されている。本実施例では概略円形状として効果を示したが、開口部は円形に限らずどのような形でもよく、平面視において対応する各流体貫通孔の輪郭の少なくとも一部が互いに異なる位置となるように構成されていればよい。

また、プラズマ電極部２は、図３及び図６に示すように、流体流通孔２１ｂ、２２ｂとは別に、一方の電極２１に貫通孔２１ｃを設けてこの貫通孔２１ｃが他方の電極２２によってその対向面側の開口が塞がれるように構成している。なお、前記各電極２１、２２に形成された流体流通孔２１ｂ、２２ｂからなるものを以下、完全開口部という場合があるが、これとの比較において貫通孔２１ｃにより形成されるものは半開口部という。

貫通孔２１ｃの開口サイズは、流体流通孔２１ｂの開口サイズよりも１０μｍ以上小さく形成している。貫通孔２１ｃは、規則的に設けられた流体流通孔２１ｂの一部を置き換えて形成されており、貫通孔２１ｃは流体流通孔２１ｂの周囲に設けられている（図３参照）。

送風機構３は、前記プラズマ電極部２の他方の電極２２側に配置されており、プラズマ電極部２に形成された流体流通孔２１ｂ、２２ｂ（完全開口部）に向かって強制的に風を送る送風ファンを有するものである。具体的にこの送風機構３は、流体流通孔２１ｂ、２２ｂを通過させる風の流速を０．１ｍ／ｓ以上１０ｍ／ｓ以下の範囲内となるようにしている。

微小液滴供給機構４は、たとえば図１及び図２に示すように、前記プラズマ電極部２の他方の電極２２側に配置されており、プラズマ電極部２及び送風機構３の間に粒径１００μｍ以下の微小液滴を供給するミスト発生器である。つまりミスト発生器は、プラズマ電極部２における空気流の上流側に微小液滴を供給するように配置されている。ここで、微小液滴の粒径を１００μｍ以下としているのは、一対の電極２１、２２において、電極間距離が１００μｍ以下であるため、１００μｍ以上の水蒸気や微小液滴では過大で作用することができないためである。また、１００μｍを超えたものは、たとえば雨のような水滴状のものとなり、流体に含まれずに自重によって落下しプラズマ電極部２に向かって移動しない。

防爆機構５は、図４に示すように、一対の電極２１、２２の外側に配置された保護カバー５１を有し、可燃性ガスが流体流通孔２１ｂ、２２ｂに流入してプラズマによって生じた火炎が、保護カバー５１を越えて外部に伝播しないように構成されたものである。具体的に防爆機構５は、その保護カバー５１が、一対の電極２１、２２の外側に配置された金属メッシュ５１１を有し、当該金属メッシュ５１１の線径が１．５ｍｍ以下の範囲内であり、且つ金属メッシュ５１１の開口率が３０％以上である。

次に、本実施形態のプラズマ発生装置１００を用いた実験例について説明する。付着菌の殺菌と脱臭の両者を両立するための電極形状の最適化を、空気イオン測定とオゾン濃度測定により行う。両測定はプラズマ電極部２より下流へ空気イオン測定器を設置可能な距離（本件の場合、オゾン濃度は１ｃｍに吸入口を設置、イオン数密度は１０ｃｍに設置）において行う。空気イオン測定は間接的であるが簡便に測定する方法であり、プラズマで発生した活性種の中で特に電荷を持ち、寿命の長いイオンが測定対象であるが、一定のプラズマの発生条件下において空気イオン数密度と活性種の密度との間に相関があることを利用している。つまり、イオン数密度が高いということは、それだけ、殺菌や脱臭に効果のある活性種の密度が高いことを意味する。一方、プラズマの副生成物であるオゾンはイオンに比べはるかに長い寿命（数１０分以上）を持つことから、プラズマ近傍での濃度と下流の離れた地点での濃度とに大きな差は無い。それでも測定値の絶対値を高くし、わずかなオゾンの発生量の変化をつかむために、電極２１より１ｃｍ下流に測定器のサンプリング吸入口を設置している。

上記電極の非対称構造と半開口部によるイオン生成量増加は、以下のように確認した。
次のように開口率の等しい電極を３種類用意し、
１）基本となる対称形完全開口部（流体流通孔２１ｂと流体流通孔２２ｂが同一形状）のみ備えた電極、
２）完全開口部を非対称構造（本実施形態の構成）に変更した電極、
３）対称形完全開口部に加え、半開口部を備えた電極、
それぞれの電極をオゾン濃度が一定になるように印加電圧を調整し、その条件で生成されるイオン数密度を上記の通り測定した。次に、電極上の開口部の周長の合計を求めておき、測定したイオン数密度より、単位周長当りのイオン数密度を算出する。電極１）と２）は直接比較することで非対称形に変更したことによる増加量が求まり、３）のイオン数密度から１）のイオン数密度を差し引くことで半開口部による増加量が求まる。図７に対称形完全開口部に対する非対称形完全開口部のイオン生成量の比を示す。図７に示すように、非対称形（本実施形態の完全開口部）に変更したことにより、イオン生成量が２倍以上増加することが判明した。また、図８に対称形完全開口部に対する半開口部のイオン生成量の比を示す。図８に示すように、半開口部からのイオン生成量は対称形の３倍以上増加することが判明した。

プラズマ発生装置においては、流体流通孔と接触した流体に含まれる活性種の数を可及的に増大させるだけでなく、人体に有害なオゾンの発生を抑制する必要がある。この方法としては、高電圧パルスのパルス幅を小さく制御することで、活性種の生成量を増大させることができる。図９に示すイオン数密度とオゾン濃度のパルス幅依存性は、パルスの繰り返し周波数とピーク電圧値は１ｋと一定に保ち、パルス幅のみを変化させたときの測定である。図９に見られるように、パルス幅を１００μ秒以下においてイオン数が測定され、かつオゾン濃度が低くなり、パルス幅が小さくなるに従って、イオン数は増加し、オゾン濃度は減少する。その結果、オゾン濃度は低濃度で抑えられ、かつイオン数密度は増大させることが可能である。よって、パルス幅は１００μ秒以下にすることが望ましいことが分かった。

高湿度条件においての空気イオン測定をおこなうことで、本実施形態の性能評価を行った。相対湿度を変化させたときのイオン数密度測定結果を図１０に示す。７５％ＲＨ付近では一旦低下するが、それ以降の高湿度の９０％ＲＨ以上１００％ＲＨ未満では急速にイオン数密度が上昇しており、高湿度条件での発生活性種密度は高いことを示している。一方で、従来プラズマ発生装置では、湿度が上昇するほどにイオン数密度が減少しており、それ以降の高湿度の９０〜１００％ＲＨでは急速にイオン数密度が減少した。なお、本実施形態のプラズマ発生装置と従来のプラズマ発生装置とのイオン数密度範囲が異なるのは、装置本体の大きさや発生イオン種が異なるためである。

また、本実施形態のプラズマ発生装置を用いて湿度９０％ＲＨ下においての大腸菌の殺菌試験を行った。大腸菌入り寒天培地をいれたシャーレを置いた１００Ｌチャンバー内で、湿度を９０％ＲＨに保った状態でプラズマ発生装置をチャンバー内で６時間動作したところ、図１１の写真に示すとおり、菌由来のコロニーが減少し、殺菌可能なことを証明できた。このようにイオン数の少ない湿度下において抑制がなされたことで、よりイオン数の多い高湿度域でも当然殺菌が可能と考えられる。

電極近傍で行われる脱臭反応については以下の通りに考えられる。最初にプラズマによって生成された活性種の濃度と空気流により運ばれてきた臭気濃度との濃度差を考える。図１２に示すように、電極表面の誘電体同士で作られる空隙に発生するプラズマの一部は流体流通孔の穴の内側にまで広がるため、生成された活性種が送風機構から供給される空気流と相互作用を及ぼす。大気圧において誘電体膜ではさまれた空間で発生するプラズマの電子密度は１０^１５／ｃｍ^３程度であり、生成されるイオンやラジカルの密度も同等と考えられ、非常に高密度の活性種が存在する。そこに臭気物質の分子が運ばれてきたときに想定される分子数密度は仮にｐｐｍオーダーとしても１０^１３／ｃｍ^３であり、活性種の密度より数桁小さい。つまり、臭気分子を分解するのに十分な数の活性種が生成されている空間が流体流通孔の内側に発生し、図１２に示す脱臭反応場にどのように送り込んで分解を促進させるよう工夫するかがかぎとなる。ひとつは、流体流通孔に対して風を送ることである。流体流通孔に対して強制的に送ることで、臭気分子が脱臭反応場のある流体流通孔に接触して、臭気物質の分解がなされる工夫である。もうひとつは、電極正面近傍で、円筒状の物を高速回転させることにより発生する風によって、臭気成分を流体流通孔に送り込み、脱臭反応場にて臭気物質の分解がなされる工夫である。

次に電極から離れた物体表面で行われる殺菌についてであるが、放出された活性種の密度と付着菌の密度の差が殺菌効率を決定する。図１３に示すように、プラズマで生成された活性種が、空気流に含まれた水蒸気や微小液滴に帯電または混合され、機能性ミストとして装置外部へと放出され、それぞれの寿命に従い再結合等を経て安定な分子に戻る。通常そのような空気中に存在するイオンは空気イオン測定器などで計測され、プラズマ近傍では１０^６／ｃｍ^３程度は観察される。そのような低数密度で、かつ機能性ミストとして活性種が拡散すると、臭気分子を分解するのに長時間が必要となるため脱臭効果は期待できないが、さらに数密度の低い付着菌を殺菌するには有効である。付着菌は単位面積あたり数百から数千個、即ち１０^２〜１０^３／ｃｍ^２であり、一定時間継続的に機能性ミスト中の活性種と接触することで殺菌が行える。

防爆機構５は、例えば可燃性冷媒を使用した冷蔵庫に本装置を設置する場合に必要になる。図１４に示すように、プラズマ電極部２の周囲に金属メッシュ５１１を配置し、万が一電極上でアーク放電のようなスパークが発生し、可燃性冷媒雰囲気中で着火しても、火炎が金属メッシュを越えて冷蔵室全体に広がることは無い。特に、図１５に示すように、金属メッシュ５１１の線径が１．５ｍｍ以下の範囲内、かつ、開口率が３０％以上のときに上記のような電極構造により増大させた活性種の生成量を損なうことなく動作させることができ、即ち、脱臭と殺菌の能力を低下させずに安全性を確保できる。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係るプラズマ発生装置１００によれば、対応する各流体貫通孔において発生するプラズマと流体との接触面積を可及的に大きくできることから活性種の発生量を多くすることができる。そして、水蒸気や微小液滴が流体流通孔において発生した活性種と接触し、水蒸気や微小液滴に活性種が帯電もしくは混合し、機能性ミストとなって装置外部に放出される。このように機能性ミストが外部に放出されることから、浮遊菌及び付着菌を殺菌することができる。また、プラズマで発生した活性種の発生量を多くすることができるので、脱臭機能を十分に発揮することができる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、前記実施形態は微小液滴供給機構を有するものであったが、水蒸気供給機構を有するものであっても良い。この場合水蒸気供給機構は、水蒸気発生器をミスト発生器のかわりに設置しても良い。また、水蒸気供給機構として、一対の電極の少なくとも一方に水を供給して当該電極に水を付着させる水供給部と、電極に付着した水を蒸発させる加熱部とを有するものであっても良い。このとき加熱部として、電極とは別にヒータを設けても良いし、電極部自体のプラズマ発生時に生じる熱を用いて加熱するようにしても良い。なお、水蒸気供給機構と微小液滴供給機構とを両方設けても良い。

また、図１６に示すように、一対の電極の少なくとも一方の電極に加熱部２３を設けて、電極を加熱することで水分を蒸発させ、電極を乾燥させることが望ましい。この場合、加熱部２３としては、図１６に示すように、例えば少なくとも一方の電極の対向面とは反対側に設けられた発熱抵抗体等の電熱線を用いることができる。これにより、プラズマ生起面積が最大化し、活性種発生量を高く保持させるだけでなく、蒸発した水分は水蒸気や微小液滴となって機能性ミストの原料に利用できる。

さらに、一対の電極の少なくとも一方の電極の温度を測定する温度センサを有し、温度センサの検出温度が所定値以上となった場合に、水蒸気又は微小液滴を供給するように構成しても良い。この場合、制御装置が温度センサからの検出信号を取得するとともに、その検出信号が示す温度と、予め定められた値とを比較して、電極の温度が所定値以上であると判断した場合に、ミスト発生器にミスト発生信号を出力する。そして、このミスト発生信号を取得したミスト発生器がプラズマ電極部に向かってミストを供給する。その他、制御装置は、電極温度に基づいてミスト又は水蒸気の供給量をフィードバック制御するように構成することもできる。

その上、一対の電極の少なくとも一方の電極の温度を測定する温度センサと、一対の電極の少なくとも一方の電極を加熱する加熱部とを有し、温度センサの検出温度が所定値以下となった場合に、加熱部により電極加熱を行うように構成しても良い。そして、制御装置が、温度センサからの検出信号を取得するとともに、その検出信号が示す値と、予め定められた値とを比較して、電極の温度が所定値以下であると判断した場合に、加熱部である発熱抵抗体に電流を供給する。これにより、電極部が加熱されて、電極部に付着した水滴を蒸発させることができ、この水蒸気を用いて機能性ミストを生成することができる。その他、制御装置は、電極温度に基づいて加熱部の加熱温度をフィードバック制御するように構成することもできる。

加えて、一対の電極の雰囲気中における相対湿度を測定する湿度センサを有し、湿度センサの検出湿度が所定値以下となった場合に、水蒸気又は微小液滴を供給するように構成しても良い。この場合、制御装置は、湿度センサからの検出信号を取得するとともに、その検出信号が示す湿度と予め定めた値とを比較して、雰囲気の相対湿度が所定値（例えば９０％ＲＨ）以下であると判断した場合に、ミスト発生器にミスト発生信号を出力する。そして、このミスト発生信号を取得したミスト発生器がプラズマ電極部に向かってミストを供給する。その他、制御装置は、相対湿度に基づいてミスト又は水蒸気の供給量をフィードバック制御するように構成することもできる。

前記実施形態では電極２１の複数の流体流通孔２１ｂが同一形状をなし、また電極２２の複数の流体流通孔２２ｂが同一形状をなすものであったが、それぞれ異なる形状をなすものであっても良い。

また、前記実施形態では電極２１の全ての流体流通孔２１ｂが、電極２２の複数の流体流通孔２２ｂよりも小さく又は大きく形成されているが、電極２１の一部の流体流通孔２１ｂが電極２２の流体流通孔２２ｂにより小さく形成されており、その他の流体流通孔２１ｂが電極２２の流体流通孔２２ｂよりも大きく形成されていても良い。

さらに、前記実施形態では一方の電極２１又は他方の電極２２のいずれかに貫通孔が形成されているが、両方に貫通孔（半開口部）を形成するようにしても良い。

その上、前記実施形態では流体流通孔は等断面形状をなすものであったが、その他、各電極に形成される流体流通孔にテーパ面を有するもの、すり鉢状またはお椀状の形状、つまり一方の開口から他方の開口に行くに従って縮径又は拡径するものであっても良い。

加えて、流体流通孔は、円形状の他、楕円形状、矩形状、直線状スリット形状、同心円状スリット形状、波形状スリット形状、三日月形状、櫛形状、ハニカム形状又は星形状であっても良い。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・プラズマ発生装置
２１・・・一方の電極
２２・・・他方の電極
２３・・・加熱部
２１ａ、２２ａ・・・誘電体膜
２１ｂ、２２ｂ・・・流体流通孔
２１ｃ・・・貫通孔
２・・・プラズマ電極部
２Ｔ・・・印加端子
２Ｍ・・・撥水性薄膜
３・・・送風機構
４・・・微小液滴供給機構
５・・・防爆機構
６・・・電源
５１・・・保護カバー
５１１・・・金属メッシュ

Claims (22)

1. 一対の電極を有し、それら電極間に所定電圧が印加されてプラズマ放電するものにおいて、各電極の対応する箇所にそれぞれ流体流通孔を設けてこれらが貫通するように構成するとともに、当該流体流通孔及びその近傍に生じるプラズマに水蒸気又は微小液滴を作用させることを特徴とするプラズマ発生方法。
2. 一対の電極を有し、電極間に所定電圧が印加されてプラズマ放電するものにおいて、一方の電極に貫通孔を設けてこの貫通孔が他方の電極によってその対向面側の開口が塞がれるように構成し、前記貫通孔の対向面側とは反対側の開口及びその近傍に生じるプラズマに水蒸気又は微小液滴を作用させることを特徴とするプラズマ発生方法。
3. 前記微小液滴の粒径が１００μｍ以下である請求項１又は２記載のプラズマ発生方法。
4. 前記各電極に印加する電圧をパルス形状とし、そのピーク値を１００Ｖ以上５０００Ｖ以下の範囲内とし、且つパルス幅を０．１μ秒以上かつ３００μ秒以下の範囲内としている請求項１、２又は３記載のプラズマ発生方法。
5. 前記一対の電極の温度が所定値以上となった場合に、水蒸気又は微小液滴を供給するものである請求項１、２、３又は４記載のプラズマ発生方法。
6. 前記一対の電極の温度が所定値以下となった場合に、加熱部により電極加熱を行うものである請求項１、２、３、４又は５記載のプラズマ発生方法。
7. 対向面の少なくとも一方に誘電体膜を設けた一対の電極と、前記電極間に所定電圧を印加してプラズマ放電させる電圧印加手段と、各電極の対応する箇所にそれぞれ設けられて全体として貫通するように構成した流体流通孔とを具備し、この流体流通孔を流体が通過するときに前記プラズマと触れてイオン又はラジカルが発生するように構成したプラズマ発生装置において、
   前記流体流通孔及びその近傍に生じるプラズマに水蒸気又は微小液滴を供給する供給機構を有することを特徴とするプラズマ発生装置。
8. 前記流体流通孔及びその近傍に生じるプラズマに微小液滴を供給する微小液滴供給機構を有する場合において、前記微小液滴の粒径が１００μｍ以下である請求項７記載のプラズマ発生装置。
9. 電極の面板方向から視たときに、対応する各流体貫通孔の輪郭の少なくとも一部が互いに異なる位置にある請求項７又は８記載のプラズマ発生装置。
10. 前記一対の電極のうち一方の電極に形成された流体流通孔の開口サイズが、他方の電極に形成された流体流通孔の開口サイズよりも１０μｍ以上小さく形成されている請求項７乃至９のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
11. 前記流体流通孔とは別に、一方の電極に貫通孔を設けてこの貫通孔が他方の電極によってその対向面側の開口が塞がれるように構成している請求項７乃至１０のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
12. 前記貫通孔の開口サイズを、前記流体流通孔の開口サイズよりも１０μｍ以上小さく形成している請求項１１記載のプラズマ発生装置。
13. 前記一対の電極のうち少なくとも一方に誘電体膜が設けられており、当該誘電体膜の表面粗さを０．１μｍ以上１００μｍ以下としている請求項７乃至１２のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
14. 前記流体流通孔に向かって強制的に風を送る送風機構を有する請求項７乃至１３のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
15. 前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極表面が撥水性を有する請求項７乃至１４のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
16. 前記流体流通孔及びその近傍に生じるプラズマに水蒸気を供給する水蒸気供給機構を有する場合において、前記水蒸気供給機構が、前記一対の電極の少なくとも一方に水を供給して当該電極に水を付着させて、その水を蒸発させるものである請求項７乃至１５のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
17. 前記一対の電極の少なくとも一方の電極の温度を測定する温度センサを有し、前記温度センサの検出温度が所定値以上となった場合に、水蒸気又は微小液滴を供給するものである請求項７乃至１６のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
18. 前記一対の電極の少なくとも一方の電極の温度を測定する温度センサと、前記一対の電極の少なくとも一方の電極を加熱する加熱部とを有し、前記温度センサの検出温度が所定値以下となった場合に、前記加熱部により電極加熱を行うものである請求項７乃至１７のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
19. 前記一対の電極の雰囲気中における相対湿度を測定する湿度センサを有し、前記湿度センサの検出湿度が所定値以下となった場合に、水蒸気又は微小液滴を供給するものである請求項７乃至１８のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
20. 一対の電極を有し、電極間に所定電圧が印加されてプラズマ放電するものにおいて、一方の電極に貫通孔を設けてこの貫通孔が他方の電極によってその対向面側の開口が塞がれるように構成し、前記貫通孔の対向面側とは反対側の開口及びその近傍に生じるプラズマに水蒸気又は微小液滴を供給する供給機構を有することを特徴とするプラズマ発生装置。
21. 前記各電極に印加する電圧をパルス形状とし、そのピーク値を１００Ｖ以上５０００Ｖ以下の範囲内とし、且つパルス幅を０．１μ秒以上かつ３００μ秒以下の範囲内としている請求項７乃至２０のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
22. 前記一対の電極の外側に配置された保護カバーを有し、可燃性ガスが前記流体流通孔に流入してプラズマによって生じた火炎が、前記保護カバーを越えて外部に伝播しないように構成した防爆機構を有する請求項７乃至２１のいずれかに記載のプラズマ発生装置。