JP2013165062A - Discharge device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高電圧パルスの放電によるプラズマを利用して様々な処理(内燃機関の点火処理、ガス分解処理、脱臭処理、プラズマ成膜処理、プラズマエッチング処理、レーザ発振処理、ガス発生処理等)を行うことができる放電装置に関する。 In the present invention, various processes using plasma generated by discharge of a high voltage pulse (ignition process of an internal combustion engine, gas decomposition process, deodorization process, plasma film forming process, plasma etching process, laser oscillation process, gas generation process, etc.) It is related with the discharge device which can perform.
最近、パルス放電によるプラズマにより、脱臭、殺菌、成膜、有害ガスの分解等を行う技術が適応されるようになってきたが(例えば特許文献1及び非特許文献1参照)、プラズマによる処理を効率よく行うためには、高電圧の極めて幅の狭いパルスを供給することが必要である(例えば非特許文献2参照)。 Recently, techniques for performing deodorization, sterilization, film formation, decomposition of harmful gases, etc. have been applied by plasma by pulse discharge (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1). In order to perform efficiently, it is necessary to supply a pulse with a high voltage and a very narrow width (see, for example, Non-Patent Document 2).
そこで、従来では、高圧、大気圧、低圧中における高速プラズマ処理に、高電圧の極めて幅の狭いパルスを連続して供給する方法が提案されている(例えば特許文献2参照)。 Therefore, conventionally, a method has been proposed in which a high-voltage, extremely narrow pulse is continuously supplied to high-speed plasma processing in high pressure, atmospheric pressure, and low pressure (see, for example, Patent Document 2).
また、従来では、電極構造や電極材料を改良することで、ストリーマ放電を維持させる方法が提案されている(例えば特許文献3〜5参照)。
Conventionally, methods for maintaining streamer discharge by improving the electrode structure and electrode material have been proposed (see, for example,
さらに、従来では、電解液の電気分解により水素を発生する水素発生方法において、電解液に浸漬された電極対に短パルスを印加し、続いて、電圧が漸次低下するテーリングパルスを短パルスの印加時間よりも長時間にわたって電極対に印加することで、水素の発生効率の向上を図るようにした水素発生方法も提案されている(例えば特許文献6参照)。 Further, conventionally, in a hydrogen generation method in which hydrogen is generated by electrolysis of an electrolytic solution, a short pulse is applied to a pair of electrodes immersed in the electrolytic solution, followed by a tailing pulse in which the voltage gradually decreases. A hydrogen generation method has also been proposed in which the generation efficiency of hydrogen is improved by applying it to the electrode pair for a longer time than the time (see, for example, Patent Document 6).
しかしながら、特許文献2等の従来の方法で高速プラズマ処理を行う場合、高電圧のパルスを短い周期で連続的に供給する必要があり、出力効率が悪く、コスト的にも不利であり、スイッチング損失も増大するという問題がある。これは、ストリーマ放電を維持する方法を提案した特許文献3〜5においても同様である。
However, when high-speed plasma processing is performed by a conventional method such as
また、特許文献6等の従来の方法は、電極間に短パルスを印加した後、長い時間にわたってテーリングパルスを印加するが、これは、電解液中の主に水素イオンを効率よく陰極に移動させて水素の発生効率を向上させるものであって、例えば大気圧付近の放電を利用した高速プラズマ処理への応用については記載がない。 In addition, the conventional method of Patent Document 6 and the like applies a tailing pulse over a long period of time after applying a short pulse between electrodes, and this effectively moves mainly hydrogen ions in the electrolyte to the cathode. Thus, hydrogen generation efficiency is improved, and there is no description about application to high-speed plasma processing using discharge near atmospheric pressure, for example.
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、特許文献6に記載されたテーリングパルスの考え方を発展させて、出力効率の向上を図ることができ、しかも、スイッチング損失の低減を図ることができ、コスト的にも有利な放電装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and by developing the concept of tailing pulses described in Patent Document 6, output efficiency can be improved, and switching loss can be reduced. It is an object of the present invention to provide a discharge device that can be realized and is advantageous in terms of cost.
[1] 本発明に係る放電装置は、一対の電極と、前記一対の電極間にパルスを印加するパルス生成部と、前記一対の電極間に放電を発生させるように前記パルス生成部を制御するパルス制御部とを有し、前記パルス制御部は、前記一対の電極間に1以上の第1パルスを印加して、前記一対の電極間において第1放電から第2放電に遷移させる第1制御部と、前記第1放電から前記第2放電に遷移した後に、前記一対の電極間に2以上の第2パルスを印加する第2制御部とを有し、前記第1パルスのピーク電圧値及びピーク電流値をVa及びIa、前記第2パルスのピーク電圧値及びピーク電流値をVb及びIbとし、前記第1パルスの電流の導通時間をTi1、前記第2パルスの電流の導通時間をTi2としたとき、
Va>Vb
Ia<Ib
Ti1<Ti2
であることを特徴とする。
[1] A discharge device according to the present invention controls a pair of electrodes, a pulse generator that applies a pulse between the pair of electrodes, and the pulse generator so as to generate a discharge between the pair of electrodes. A first control that applies one or more first pulses between the pair of electrodes, and makes a transition from the first discharge to the second discharge between the pair of electrodes. And a second control unit that applies two or more second pulses between the pair of electrodes after transition from the first discharge to the second discharge, and a peak voltage value of the first pulse and The peak current values are Va and Ia, the peak voltage value and peak current value of the second pulse are Vb and Ib, the conduction time of the current of the first pulse is Ti1, and the conduction time of the current of the second pulse is Ti2. When
Va> Vb
Ia <Ib
Ti1 <Ti2
It is characterized by being.
[2] 本発明において、前記第1パルスのパルス幅をTp1、前記第2パルスのパルス幅をTp2としたとき、
Tp1<Tp2
であることが好ましい。
[2] In the present invention, when the pulse width of the first pulse is Tp1, and the pulse width of the second pulse is Tp2,
Tp1 <Tp2
It is preferable that
[3] 本発明において、前記第1放電が一次ストリーマ放電であり、前記第2放電が二次ストリーマ放電であってもよい。 [3] In the present invention, the first discharge may be a primary streamer discharge, and the second discharge may be a secondary streamer discharge.
[4] 本発明において、前記一対の電極間に生成されたラジカルの反応時間をTrとしたとき、前記第2パルスの電流の導通時間Ti2は、
0.75Tr≦Ti2≦2.00Tr
であることが好ましい。
[4] In the present invention, when the reaction time of radicals generated between the pair of electrodes is Tr, the conduction time Ti2 of the current of the second pulse is
0.75Tr ≦ Ti2 ≦ 2.00Tr
It is preferable that
[5] 本発明において、前記第1制御部は、2以上の前記第1パルスを印加し、前記第1パルスのパルス周期をTa、前記第2パルスのパルス周期をTbとしたとき、
Ta<Tb
であってもよい。
[5] In the present invention, when the first control unit applies two or more first pulses, the pulse period of the first pulse is Ta, and the pulse period of the second pulse is Tb,
Ta <Tb
It may be.
[6] 本発明において、前記第1パルスのパルス数は1〜10であることが好ましい。 [6] In the present invention, the number of pulses of the first pulse is preferably 1-10.
[7] 本発明において、前記パルス生成部は、直流電源部の両端に直列接続されたトランス及びスイッチを有し、前記パルス制御部の前記スイッチに対するオン制御によって前記トランスへの誘導エネルギーの蓄積を行い、前記パルス制御部の前記スイッチに対するオフ制御によって前記トランスの二次側での前記パルスの発生を行うパルス発生回路を有するようにしてもよい。 [7] In the present invention, the pulse generation unit includes a transformer and a switch connected in series to both ends of a DC power supply unit, and accumulates inductive energy in the transformer by ON control of the switch of the pulse control unit. And a pulse generation circuit that generates the pulse on the secondary side of the transformer by turning off the switch of the pulse control unit.
[8] この場合、前記第2制御部は、該第2制御部による制御の開始時点で、前記トランスへの誘導エネルギーの蓄積時間を変更するようにしてもよい。 [8] In this case, the second control unit may change the accumulation time of the induction energy in the transformer at the start of control by the second control unit.
[9] また、前記第2制御部による制御の開始時点は、前記第1制御部による制御の開始時点から予め設定された時間が経過した時点であってもよい。 [9] Further, the start time of the control by the second control unit may be a time when a preset time has elapsed from the start time of the control by the first control unit.
[10] さらに、前記パルス制御部は、前記一対の電極間で前記第2放電に遷移したことを検出する放電検出部を有し、前記第2制御部による制御の開始時点は、前記放電検出部が前記一対の電極間で前記第2放電に遷移したことを検出してから予め設定した時間が経過した時点であってもよい。 [10] Further, the pulse control unit includes a discharge detection unit that detects transition to the second discharge between the pair of electrodes, and the start point of control by the second control unit is the discharge detection. It may be a point in time when a preset time has elapsed since it was detected that the part transitioned to the second discharge between the pair of electrodes.
[11] この場合、前記放電検出部は、前記一対の電極間に発生する前記放電の動画像を取得するカメラと、前記カメラにて取得された前記放電の動画像に基づいて、前記第1放電から前記第2放電に遷移したタイミングを検知する画像処理部と、を有するようにしてもよい。 [11] In this case, the discharge detection unit is configured to acquire the first moving image based on the camera that acquires the moving image of the discharge generated between the pair of electrodes and the moving image of the discharge acquired by the camera. And an image processing unit that detects the timing of transition from the discharge to the second discharge.
[12] あるいは、前記放電検出部は、前記一対の電極間の電圧が低下して予め設定されたしきい値電圧以下になった段階で、前記第2放電に遷移したとして判別する電圧判別部を有するようにしてもよい。 [12] Alternatively, the discharge detection unit determines that the discharge has transitioned to the second discharge when the voltage between the pair of electrodes decreases and becomes equal to or lower than a preset threshold voltage. You may make it have.
本発明に係る放電装置によれば、供給電力を低減することができると共に、ランニングコスト等のコストの低廉化を図ることができ、しかも、出力効率を高めることができる。 According to the discharge device according to the present invention, it is possible to reduce the power supply, reduce the running cost and the like, and increase the output efficiency.
以下、本発明に係る放電装置の実施の形態例を図1〜図10を参照しながら説明する。 Hereinafter, an embodiment of a discharge device according to the present invention will be described with reference to FIGS.
本実施の形態に係る放電装置10は、図1に示すように、例えばプラズマ処理室12内等に設置される一対の電極14a及び14bと、一対の電極14a及び14b間にパルスを印加するパルス生成部16と、一対の電極14a及び14b間に放電を発生させるようにパルス生成部16を制御するパルス制御部18とを有する。
As shown in FIG. 1, the
パルス生成部16は、例えば図2に示すようなパルス発生回路20を有する。このパルス発生回路20は、直流電源部22の両端に直列接続されたトランス24、SIサイリスタ26及びスイッチング素子28を有する。トランス24の一次巻線30における一方の第1端子32aに直流電源部22の正極が接続され、トランス24の一次巻線30における他方の第1端子32bにSIサイリスタ26のアノードが接続されている。また、SIサイリスタ26のゲートと一次巻線30の一方の第1端子32a間には、ダイオード34と抵抗36が並列に接続されている。なお、ダイオード34は、カソードが一次巻線30の一方の第1端子32aに接続され、アノードがSIサイリスタ26のゲートに接続されている。
The
スイッチング素子28は、例えばMOSFETやIGBT等によって構成され、そのゲート電極に入力端子38が接続され、この入力端子38にパルス制御部18からの制御信号(オン信号Son/オフ信号Soff)が供給されるようになっている。
The switching
また、トランス24の二次巻線40の一方の第2端子42aに一方の電極14a(陰極)が接続され、二次巻線40の他方の第2端子42bに他方の電極14b(陽極)接続されている。
One
さらに、例えば二次巻線40の他方の第2端子42bと他方の電極14bとの間にダイオード44が接続されている。ダイオード44の接続方向は、高電圧パルスの発生に伴って、電流が二次巻線40→他方の第2端子42b→他方の電極14b(陽極)と流れる場合に、その順方向にダイオード44が接続されている。すなわち、ダイオード44は、アノードが他方の第2端子42bに接続され、カソードが他方の電極14bに接続されている。
Further, for example, a
ここで、パルス発生回路20での回路動作を図3を参照しながら説明する。
Here, the circuit operation in the
先ず、図3のサイクル1の開始時点taにおいて、パルス制御部18からパルス発生回路20の入力端子38に対してオンを示す制御信号(オン信号Son:例えば高レベル信号)が供給されると、スイッチング素子28がオンとなり、これにより、SIサイリスタ26はターンオンを経てオンとなる。SIサイリスタ26がオンとなることによって、トランス24に直流電源部22の電圧Eとほぼ同じ電圧が印加され、トランス24の一次インダクタンスをL1としたとき、トランス24の一次巻線30に流れる電流I1は勾配(E/L1)で時間の経過に伴って直線状に増加し、トランス24への誘導エネルギーの蓄積が行われる。
First, when a control signal (ON signal Son: for example, a high level signal) indicating ON is supplied from the
このとき、SIサイリスタ26がオンとなっている期間(オン期間Ton)においては、二次側にダイオード44が接続されて電流の流れが遮断されていることから、一対の電極14a及び14b間の電圧V2は基準電圧Vxとなっている。基準電圧Vxは、一対の電極14a及び14bがキャパシタと等価になること等に起因して発生する電圧であり、プラズマ処理の種類によって異なる。
At this time, during the period in which the
その後、一次側の電流I1の値が予め決められたピーク値(波高値)Ip1となった時点tbにおいて、パルス制御部18からパルス発生回路20の入力端子38に対してオフを示す制御信号(オフ信号Soff:例えば低レベル信号)が供給されると、スイッチング素子28がオフとなり、これにより、SIサイリスタ26はターンオフを経てオフとなる。SIサイリスタ26がターンオフとなることによって、一対の電極14a及び14b間への高電圧パルスPaの供給が開始される。ここで、直流電源部22の電圧をE、スイッチング素子28がオンとなっている期間(オン期間)をTon、トランス24の一次インダクタンスをL1としたとき、ピーク値Ip1は、
Ip1=E×Ton/L1
となる。
Thereafter, at the time tb when the value of the primary-side current I1 reaches a predetermined peak value (peak value) Ip1, a control signal (OFF) is output from the
Ip1 = E × Ton / L1
It becomes.
そして、SIサイリスタ26がオフになることによってトランス24にパルス状の誘導起電力Vp1が発生し、これに伴って、二次側の電流I2がダイオード44の順方向に急激に流れ、一対の電極14a及び14b間には誘導起電力Vp1に応じたパルス状の高電圧Vp2(高電圧パルスP)が印加されることになる。
When the
その後、高電圧Vp2のピークの時点を過ぎると、プラズマ処理室12においてエネルギーが消費されることから、二次側の電流I2は徐々に減衰し、予め決められたオフ期間Toff(スイッチング素子28をオフにする期間)が経過する前の時点で基準レベル(0(A))になる。従って、時点tbから基準レベルに到達する時点までの時間が電流の導通時間Tiとなる。
Thereafter, when the peak of the high voltage Vp2 is passed, energy is consumed in the
オフ期間Toffが経過した時点でサイクル2が開始され、上述したサイクル1と同様の動作が繰り返される。
次に、パルス制御部18について説明する。パルス制御部18は、図2に示すように、パルス発生回路20の上記スイッチング素子28にオン信号Son及びオフ信号Soffを供給するスイッチング制御部50と、第1制御部52と、第2制御部54と、第1時間計測部56と、制御切替部58とを有する。
Next, the
第1制御部52は、プラズマ処理の各サイクル(図3のサイクル1、サイクル2とは異なる)における第1区間T1(図4参照)において、高エネルギーの1以上の第1パルスP1を一対の電極14a及び14b間に印加して、該一対の電極14a及び14b間において第1放電から第2放電に遷移させるように制御する。ここで、第1放電は例えば一次ストリーマ放電が挙げられ、第2放電は例えば二次ストリーマ放電が挙げられる。
In the first section T1 (see FIG. 4) in each cycle of plasma processing (different from cycle 1 and
この第1制御部52は、第1区間T1において、スイッチング素子28をオンさせるオンタイミング信号So1を生成する第1オンタイミング生成部60と、第1区間T1において、スイッチング素子28をオフさせるオフタイミング信号Sf1を生成する第1オフタイミング生成部62とを有する。例えば第1オフタイミング生成部62は、第1オンタイミング生成部60からのオンタイミング信号So1を、予め設定された時間だけ遅延させてオフタイミング信号Sf1として出力する。スイッチング制御部50は、第1オンタイミング生成部60からのオンタイミング信号So1に基づいてスイッチング素子28をオンにし、第1オフタイミング生成部62からのオフタイミング信号Sf1に基づいてスイッチング素子28をオフにする。従って、第1オフタイミング生成部62からのオフタイミング信号Sf1の出力周期が、第1パルスP1のパルス周期Ta(=1/パルス周波数)となる。また、図示しないがオンタイミング信号So1の出力時点からオフタイミング信号Sf1の出力時点までの時間が、第1パルスP1のための誘導エネルギーの蓄積時間に相当することとなる。
The
第2制御部54は、プラズマ処理の各サイクル中、一対の電極14a及び14b間で一次ストリーマ放電から二次ストリーマ放電に遷移した後の第2区間T2(図4照)において、第1パルスP1よりもピーク電流値が高く、パルス周期の長い2以上の第2パルスP2を印加する。
The
この第2制御部54は、第2区間T2において、スイッチング素子28をオンさせるオンタイミング信号So2を生成する第2オンタイミング生成部64と、第2区間T2において、スイッチング素子28をオフさせるオフタイミング信号Sf2を生成する第2オフタイミング生成部66とを有する。この場合も、例えば第2オフタイミング生成部66は、第2オンタイミング生成部64からのオンタイミング信号So2を、予め設定された時間だけ遅延させてオフタイミング信号Sf2として出力する。スイッチング制御部50は、第2オンタイミング生成部64からのオンタイミング信号So2に基づいてスイッチング素子28をオンにし、第2オフタイミング生成部66からのオフタイミング信号Sf2に基づいてスイッチング素子28をオフにする。従って、第2オフタイミング生成部66からのオフタイミング信号Sf2の出力周期が、第2パルスP2のパルス周期Tb(=1/パルス周波数)となる。また、図示しないが、オンタイミング信号So2の出力時点からオフタイミング信号Sf2の出力時点までの時間が、第2パルスP2のための誘導エネルギーの蓄積時間に相当することとなる。従って、第2オンタイミング生成部64及び第2オフタイミング生成部66は、誘導エネルギーの蓄積時間を変更する蓄積時間変更部68を構成することになる。
The
第1時間計測部56は、プラズマ処理の各サイクルの開始時点(第1区間T1の開始時点t1)で第1切替信号Sc1を出力し、第1区間T1の開始時点t1から基準クロックclkを計数して、第1区間T1の開始時点t1から予め設定された時間が経過した時点(第2区間T2の開始時点t2)で第2切替信号Sc2を出力する。
The first
制御切替部58は、第1時間計測部56からの第1切替信号Sc1の入力に基づいて、第2制御部54による制御を停止し、第1制御部52による制御を開始するように指示信号を出力する。また、第1時間計測部56からの第2切替信号Sc2の入力に基づいて、第1制御部52による制御を停止し、第2制御部54による制御を開始するように指示信号を出力する。
Based on the input of the first switching signal Sc1 from the first
次に、本実施の形態に係る放電装置10の処理動作について図4のタイムチャートも参照しながら説明する。なお、図4においては、説明を簡潔にするために、トランス24の一次側での信号波形を省略し、トランス24の二次側に発生する電圧波形(図4の上段参照)と電流波形(図4の下段参照)を模式的に示す。
Next, the processing operation of the
先ず、図4に示すように、プラズマ処理の各サイクルの開始時点(第1区間T1の開始時点t1)において、第1制御部52による制御が開始され、パルス生成部16から高エネルギーの第1パルスP1が生成されて、一対の電極14a及び14b間に印加される。第1パルスP1は、一対の電極14a及び14b間で、電圧V2が急峻に立ち上がり、且つ、急峻に立ち下がる電圧波形となり、電流I2も急峻に立ち上がり、電圧波形ほどではないが、やや急峻に立ち下がる電流波形となる。第1パルスP1の生成は少なくとも1回行われる。
First, as shown in FIG. 4, at the start time of each cycle of the plasma processing (start time t1 of the first section T1), the control by the
一対の電極14a及び14b間に高エネルギーの第1パルスP1が印加されると、一対の電極14a及び14b間に放電が引き起こされる。放電では、1〜10eV程度の電子が発生し、一対の電極14a及び14b間に存在する中性粒子(N2、O2、H2O等)と衝突する。その結果、衝突解離反応や付着解離反応が行われてN、O、OH、H等の一次ラジカルが生成される。その他、O-やH-等のイオンや、励起種も生成される。一次ラジカルが生成された後、該一次ラジカルの反応によってO3、HO2等の二次ラジカルが生成される。
When a high-energy first pulse P1 is applied between the pair of
すなわち、第1パルスP1の印加時間が所定時間に達すると、正イオンが陰極14aに衝突する際に放出された2次電子によって新たな正イオンを発生させるグロー放電が引き起こされる。このとき、図5に示すように、第1パルスP1の立ち上がり時の電圧V2の上昇率(電圧上昇率(dV/dt))が概ね30〜500kV/μsであって、立ち上がりが急峻な場合、この急峻な立ち上がり時間Tx1において、グロー放電から一次ストリーマ放電に移行する。具体的には、上述の時間Tx1において、陰極14aから陽極14bへ向かう一次ストリーマの成長が始まり(一次ストリーマ放電の発生)、第1パルスP1の印加時間がさらに長くなると、一次ストリーマが一対の電極14a及び14b間のガスを電離しながら進展する。一次ストリーマが通過した領域には、導電性領域が形成される。
That is, when the application time of the first pulse P1 reaches a predetermined time, a glow discharge is generated in which new positive ions are generated by secondary electrons emitted when positive ions collide with the
上述した時間Tx1を経過した時点tx1から第1パルスP1の印加終了時点ty1までの時間Ty1において、一次ストリーマ放電から二次ストリーマ放電に遷移する。具体的には、上述の時間Ty1において、一次ストリーマが対向電極(陽極14b)に向かって進展して、一次ストリーマの先端が対向電極(陽極14b)に到達すると、導電性領域に沿って再びストリーマ(二次ストリーマ)が進展することとなる。つまり、二次ストリーマ放電が開始される。二次ストリーマは一対の電極14a及び14b間の途中までしか進展せず、対向電極(陽極14b)には到達しない。そして、主に二次ストリーマにおいて、N、O、OH、H等の一次ラジカルが生成される。生成された一次ラジカルはその後の再結合反応等によって減少し、その代わりに二次ラジカルが生成されることとなる。
The transition from the primary streamer discharge to the secondary streamer discharge is made at a time Ty1 from the time tx1 after the time Tx1 has passed to the application end time ty1 of the first pulse P1. Specifically, when the primary streamer advances toward the counter electrode (
そして、一対の電極14a及び14b間において二次ストリーマ放電に遷移した後、第2区間T2の開始時点t2から、今度は第2制御部54による制御が開始される。
Then, after the transition to the secondary streamer discharge between the pair of
第2制御部54での制御が開始されると、第1パルスP1とは異なった波形であって、裾引き状の波形Ptを有する第2パルスP2が生成されて、一対の電極14a及び14b間に印加される。第2パルスP2は、一対の電極14a及び14b間において、少なくとも対象とするラジカル(以下、対象ラジカルと記す)の反応時間にかけて二次ストリーマ放電を維持させるために印加される。具体的には、第2パルスP2は、電流の導通時間Ti2が長く、それに合わせて、ピーク電流値Ibも高くなっている。
When control by the
反対に、ピーク電圧値Vbは、第1パルスP1のピーク電圧値Vaよりも低くなっている。これは、以下のことが原因と考えられる。すなわち、一対の電極14a及び14bが例えば共に平板電極である場合を想定したとき、陰極14aのうち、例えば1つの部分(局部的な部分)にて発生した一次ストリーマが対向電極(陽極14b)まで進展した段階で、二次ストリーマが発生することになるが、次の第2パルスP2では、急峻な立ち上がり時間Tx2において別の部分から一次ストリーマが発生する。この場合、第1パルスP1の印加によって発生した二次ストリーマによる放電(二次ストリーマ放電)によって一対の電極14a及び14b間のインピーダンスが低下していることと、熱の発生のため、第1パルスP1のときよりも短い時間で上述した別の部分から一次ストリーマが発生、すなわち、第1パルスP1のピーク電圧値Vaよりも低いピーク電圧値Vbで一次ストリーマが発生することとなる、と考えられる。
Conversely, the peak voltage value Vb is lower than the peak voltage value Va of the first pulse P1. This is considered to be caused by the following. That is, assuming that the pair of
そして、上述した時間Tx2を経過した時点tx2から裾引き状の波形Ptが開始される時点ty2までの時間Ty2において、一次ストリーマ放電から二次ストリーマ放電に遷移し、対象ラジカルを含む一次ラジカルが発生する。その後、裾引き状の波形Ptの開始時点ty2から該裾引き状の波形Ptの終了時点tzにかけて、二次ストリーマ放電が維持されて、一次ラジカルが反応して二次ラジカルが生成されることになる。 Then, at the time Ty2 from the time tx2 when the time Tx2 has passed to the time ty2 when the trailing waveform Pt is started, the primary streamer transitions from the primary streamer discharge to the secondary streamer discharge, and the primary radical including the target radical is generated. To do. Thereafter, from the start time ty2 of the trailing waveform Pt to the end time tz of the trailing waveform Pt, the secondary streamer discharge is maintained, and the primary radicals react to generate secondary radicals. Become.
第2パルスP2の電流の長い導通時間Ti2及び高いピーク電流値Ibは、第2制御部54における第2オンタイミング生成部64からのオンタイミング信号So2の出力時点から第2オフタイミング生成部66からのオフタイミング信号Sf2の出力時点までの時間、すなわち、第2パルスP2のための誘導エネルギーの蓄積時間を長く設定することにより実現される。また、第2パルスP2のパルス周期Tbは、電流の導通時間Ti2が設定された後のオンタイミング信号So2の出力周期を設定することにより実現される。
The long conduction time Ti2 and the high peak current value Ib of the current of the second pulse P2 are output from the second off-
第2制御部54によって設定される電流の導通時間Ti2並びに第2パルスP2のパルス周期Tbは、事前に、プラズマ処理の種類、対象ラジカルの反応時間等に基づいて実験、シミュレーション等を行って、それぞれ最適な範囲を求めておき、実施されるプラズマ処理の種類、対象ラジカルの反応時間等に基づいて、予め求めておいた最適な範囲から適宜選択して設定することが好ましい。
The conduction time Ti2 of the current set by the
具体的には、先ず、第1パルスP1のピーク電圧値をVa、第2パルスP2のピーク電圧値をVbとしたとき、
Va>Vb
である。
Specifically, first, when the peak voltage value of the first pulse P1 is Va and the peak voltage value of the second pulse P2 is Vb,
Va> Vb
It is.
第1パルスP1の電流の導通時間をTi1、第2パルスP2の電流の導通時間をTi2としたとき、
Ti1<Ti2
の関係を有することが好ましい。この場合、対象ラジカルの反応時間をTrとしたとき、第2パルスP2の電流の導通時間Ti2は、0.75Tr≦Ti2≦2.00Trであることが好ましく、さらに好ましくは0.85Tr≦Ti2≦1.50Trであり、特に好ましくは0.90Tr≦Ti2≦1.20Trである。例えば第2パルスP2の電流の導通時間Ti2は、対象ラジカルが振動励起OHラジカル(v=4)のとき、Ti2=20〜30μsec、振動励起OHラジカル(v=3)のとき、Ti2=50〜100μsec、振動励起OHラジカル(v=2)のとき、Ti2=100〜200μsec、振動励起OHラジカル(v=1)のとき、Ti2=300〜400μsecを好ましく採用することができる。なお、第2パルスP2の電流の導通時間Ti2が短すぎると、出力効率(投入電力に対する二次ラジカルの量の比率)の低下につながる。導通時間Ti2が長すぎると、生成した二次ストリーマ放電を維持できなくなるおそれがある。
When the conduction time of the current of the first pulse P1 is Ti1, and the conduction time of the current of the second pulse P2 is Ti2,
Ti1 <Ti2
It is preferable to have the following relationship. In this case, when the reaction time of the target radical is Tr, the conduction time Ti2 of the current of the second pulse P2 is preferably 0.75Tr ≦ Ti2 ≦ 2.00Tr, more preferably 0.85Tr ≦ Ti2 ≦. 1.50Tr, particularly preferably 0.90Tr ≦ Ti2 ≦ 1.20Tr. For example, the conduction time Ti2 of the current of the second pulse P2 is Ti2 = 20 to 30 μsec when the target radical is a vibrationally excited OH radical (v = 4), and Ti2 = 50 to when the target radical is a vibrationally excited OH radical (v = 3). When 100 μsec, vibration-excited OH radical (v = 2),
第1パルスP1のパルス周期Taと、第2パルスP2のパルス周期Tbは、
Ta<Tb
であることが好ましい。この場合、Ta<Tb<100Taが好ましく、さらに好ましくはTa<Tb<50Taであり、特に好ましくはTa<Tb<10Taである。パルス周期Tbが短すぎると、出力効率の低下につながる。パルス周期Tbが長すぎると、生成した二次ストリーマ放電を維持できなくなるおそれがある。
The pulse period Ta of the first pulse P1 and the pulse period Tb of the second pulse P2 are:
Ta <Tb
It is preferable that In this case, Ta <Tb <100Ta is preferable, Ta <Tb <50Ta is more preferable, and Ta <Tb <10Ta is particularly preferable. When the pulse period Tb is too short, the output efficiency is lowered. If the pulse period Tb is too long, the generated secondary streamer discharge may not be maintained.
第1パルスP1のピーク電流値Iaと、第2パルスP2のピーク電流値Ibは、
Ia<Ib
であることが好ましい。この場合、Ia<Ib<100Iaが好ましく、さらに好ましくはIa<Ib<50Iaであり、特に好ましくはIa<Ib<10Iaである。
The peak current value Ia of the first pulse P1 and the peak current value Ib of the second pulse P2 are:
Ia <Ib
It is preferable that In this case, Ia <Ib <100Ia is preferable, Ia <Ib <50Ia is more preferable, and Ia <Ib <10Ia is particularly preferable.
また、一対の電極14a及び14b間に1つの第1パルスP1を印加するだけで、一次ストリーマ放電から二次ストリーマ放電に遷移させることができる場合もあるし、2以上の第1パルスP1を順番に印加することで二次ストリーマ放電に遷移させることができる場合もあるが、第1パルスP1の数は1〜10であることが好ましい。第1パルスP1の数が多すぎると、二次ストリーマ放電が発生した後も第1パルスP1を無駄に印加することになり、出力効率の向上が不十分になるおそれがあるからである。
In some cases, the transition from the primary streamer discharge to the secondary streamer discharge can be made only by applying one first pulse P1 between the pair of
上述の第1パルスP1の数は、第1パルスP1のパルス周期Taと、第1時間計測部56に設定される時間(第1区間T1の開始時点t1から第2区間T2の開始時点t2までの時間)とによって決定される。従って、第1パルスP1の周期と第1時間計測部56に設定される時間を適宜選定して、第1パルスP1の数が1〜10になるように調整することが好ましい。
The number of the first pulses P1 described above includes the pulse period Ta of the first pulse P1 and the time set in the first time measuring unit 56 (from the start time t1 of the first section T1 to the start time t2 of the second section T2). Time). Therefore, it is preferable that the period of the first pulse P1 and the time set in the first
ここで、以下に示す参考例と実施例の出力効率の違いについて説明する。 Here, the difference in output efficiency between the reference example and the example described below will be described.
参考例は、図7に示すように、第1区間T1において1つの第1パルスP1を印加し、一次ストリーマ放電が二次ストリーマ放電に遷移した後の第2区間T2も、第1パルスP1を一対の電極14a及び14bに連続供給した。第2区間T2での第1パルスP1の1秒間のパルス数は100×103パルスである。第1パルスP1による一対の電極14a及び14b間のピーク電圧値Vaは、一対の電極14a及び14b間のインピーダンスが低下することによって、徐々に減っていくが、あるパルス数を超えた段階から一定レベルの電圧値となる。ピーク電圧値Vaの平均はほぼ40kVであった。また、第1パルスP1の立ち上がり時の電圧上昇率dV/dtは約50V/μsecである。第1パルスP1の電流の導通時間Ti1は約7μsec、パルス周期Taは10μsecである。
In the reference example, as shown in FIG. 7, one first pulse P1 is applied in the first period T1, and the first pulse P1 is also applied to the second period T2 after the primary streamer discharge transitions to the secondary streamer discharge. It supplied continuously to a pair of
実施例は、図4に示すように、第1区間T1において1つの第1パルスP1を印加し、一次ストリーマ放電が二次ストリーマ放電に遷移した後の第2区間T2に、第2パルスP2を一対の電極14a及び14bに連続供給した。第2区間T2での第2パルスP2の1秒間のパルス数は10×103パルスである。第1パルスP1による一対の電極14a及び14b間のピーク電圧値Vaは30kVであり、第2パルスP2による一対の電極14a及び14b間のピーク電圧値Vbの平均はほぼ8kVであった。また、第1パルスP1の立ち上がり時の電圧上昇率dV/dtは約50V/μsecである。第2パルスP2の電流の導通時間Ti2は約75μsec(対象ラジカルとして、振動励起OHラジカル(v=2)を想定)、パルス周期Tbは100μsecである。また、第2パルスP2のピーク電流値Ibは第1パルスP1のピーク電流値Iaのほぼ10倍である。
In the embodiment, as shown in FIG. 4, one first pulse P1 is applied in the first period T1, and the second pulse P2 is applied in the second period T2 after the primary streamer discharge has changed to the secondary streamer discharge. It supplied continuously to a pair of
参考例では、1秒間に100×103パルスもの第1パルスP1が一対の電極14a及び14bに印加されることとなる。そのため、前回の第1パルスP1による二次ストリーマにて生成した対象ラジカルが反応する前に次の第1パルスP1が印加されることから、対象ラジカルの量が増えるばかりで、一対の電極14a及び14b間に存在する中性粒子の量やその他の一次ラジカルの量が減り、その結果、対象ラジカルの再結合反応がほとんど誘引されずに消滅したり、対象ラジカルの再結合反応が誘引されてもその反応量は少なく、二次ラジカルの量もそれほど増えない。
In the reference example, the first pulse P1 of 100 × 10 3 pulses per second is applied to the pair of
一方、実施例では、第2区間T2において、電流の導通時間Ti2が対象ラジカルの反応時間Trに対応した第2パルスP2を連続して印加することから、前回の第1パルスP1あるいは前回の第2パルスP2による二次ストリーマにて生成した対象ラジカルがほとんど再結合反応して二次ラジカルが生成された段階で、次の第2パルスP2が印加されることになるため、生成した対象ラジカルを効率よく二次ラジカルへの生成に寄与させることができる。また、1秒間に10×103パルスで済み、しかも、一対の電極14a及び14bに印加されるピーク電圧値Vbの平均も参考例(40kV)と比して8kVと低く、一対の電極14a及び14bに投入される電力が参考例よりも少ない。すなわち、投入電力に対する二次ラジカルの生成量は、図8に示すように、参考例よりも実施例の方が多く、実施例の出力効率が参考例よりも高いことがわかる。
On the other hand, in the embodiment, since the current conduction time Ti2 continuously applies the second pulse P2 corresponding to the reaction time Tr of the target radical in the second section T2, the previous first pulse P1 or the previous first pulse P2 is applied. When the target radical generated in the secondary streamer by the two-pulse P2 is almost recombined and the secondary radical is generated, the next second pulse P2 is applied. It can contribute to the production of secondary radicals efficiently. Further, 10 × 10 3 pulses per second are sufficient, and the average peak voltage value Vb applied to the pair of
さらに、実施例の第2区間T2での第2パルスP2のパルス数は、参考例の第2区間T2での第1パルスP1のパルス数の1/10である。つまり、実施例のスイッチング回数を参考例よりも1/10に低減することができ、スイッチング損失を大幅に低減することが可能となる。なお、実施例について、第2パルスP2のパルス周期Tb、電流の導通時間Ti2を、上述した好ましい範囲内で適宜選択することで、出力効率の向上の度合い、単位時間当たりの供給電力の低減の度合いを様々に変化させることができる。 Furthermore, the number of pulses of the second pulse P2 in the second section T2 of the embodiment is 1/10 of the number of pulses of the first pulse P1 in the second section T2 of the reference example. That is, the number of times of switching in the embodiment can be reduced to 1/10 that of the reference example, and the switching loss can be greatly reduced. In the embodiment, the pulse period Tb of the second pulse P2 and the current conduction time Ti2 are appropriately selected within the above-described preferable ranges, thereby improving the output efficiency and reducing the supply power per unit time. The degree can be changed variously.
上述のように、本実施の形態に係る放電装置10は、一対の電極14a及び14b間に1以上の第1パルスP1を印加して、一対の電極14a及び14b間において第1放電(この例では一次ストリーマ放電)から第2放電(二次ストリーマ放電)に遷移させる第1制御部52と、第1放電から第2放電に遷移した後に、一対の電極14a及び14b間に2以上の第2パルスP2を印加する第2制御部54とを有するようにし、さらに、第1パルスP1のピーク電圧値及びピーク電流値をVa及びIa、第2パルスP2のピーク電圧値及びピーク電流値をVb及びIbとし、第1パルスP1の電流の導通時間をTi1、第2パルスP2の電流の導通時間をTi2としたとき、
Va>Vb
Ia<Ib
Ti1<Ti2
としたので、出力効率の向上を図ることができ、しかも、スイッチング損失の低減を図ることができる。これは、コストを低廉化させる上でも有利になる。
As described above, the
Va> Vb
Ia <Ib
Ti1 <Ti2
Therefore, the output efficiency can be improved and the switching loss can be reduced. This is advantageous in reducing the cost.
次に、放電装置10の2つの変形例について図9及び図10を参照しながら説明する。
Next, two modifications of the
先ず、第1変形例に係る放電装置10aは、図9に示すように、上述した実施の形態に係る放電装置10とほぼ同様の構成を有するが、以下の点で異なる。
First, as shown in FIG. 9, the
すなわち、パルス制御部18は、さらに、放電検出部76を有し、上述した第1時間計測部56に代えて第2時間計測部78を有する。
That is, the
放電検出部76は、一対の電極14a及び14b間に発生する放電の動画像を取得するカメラ80と、該カメラ80にて取得された放電の動画像に基づいて、一次ストリーマ放電から二次ストリーマ放電に遷移したタイミングを検知する画像処理部82とを有する。
The
カメラ80は、一方の電極(陰極14a)のある部分で発生した一次ストリーマによる発光の動画像をリアルタイムで画像処理部82に送信する。画像処理部82は、送信されてくる発光の動画像のフレーム間の動きベクトルを検出し、動きのあった発光画像の座標を取得する。そして、画像処理部82は、取得した座標が対向電極(陽極14b)の座標とほぼ一致した時点で二次ストリーマが発生したとして、検出信号Sdを第2時間計測部78に出力する。
The
第2時間計測部78は、プラズマ処理の各サイクルの開始時点(第1区間T1の開始時点t1)で第1切替信号Sc1を出力し、放電検出部76の画像処理部82からの検出信号Sdの入力に基づいて、該検出信号Sdの入力時点から予め設定された時間(第1時間計測部56での予め設定された時間とは異なり、0時間を含む)が経過した時点で第2切替信号Sc2を出力する。
The second
次に、第2変形例に係る放電装置10bは、図10に示すように、上述した第1変形例に係る放電装置10aとほぼ同様の構成を有するが、以下の点で異なる。
Next, as shown in FIG. 10, the
すなわち、放電検出部76は、一対の電極14a及び14b間の電圧に基づいて、一対の電極14a及び14b間で一次ストリーマ放電から二次ストリーマ放電に遷移したことを検出する。具体的には、放電検出部76は、電圧判別部84を有する。この電圧判別部84は、例えば一対の電極14a及び14b間の電圧と予め設定されたしきい値電圧とを比較し、一対の電極14a及び14b間の電圧がしきい値電圧以下になった段階で検出信号Sdを出力する。しきい値電圧は、予め一対の電極14a及び14b間に高電圧パルスを印加して、一次ストリーマ放電から二次ストリーマ放電に遷移した際の一対の電極14a及び14b間の電圧を測定する作業を複数回行って、その平均値をとり、さらに、平均値に例えば平均値の1/100〜1/10の電圧を加算してしきい値電圧とする。1/100〜1/10のうち、いずれの割合を採用するかは、プラズマ処理の種類によって適宜選択することができる。
That is, the
第2時間計測部78は、プラズマ処理の各サイクルの開始時点(第1区間T1の開始時点t1)で第1切替信号Sc1を出力し、放電検出部76からの検出信号Sdの入力に基づいて、該検出信号Sdの入力時点から予め設定された時間(第1時間計測部56での予め設定された時間とは異なり、0時間を含む)が経過した時点で第2切替信号Sc2を出力する。
The second
上述した第1変形例に係る放電装置10a及び第2変形例に係る放電装置10bは、上述した実施の形態に係る放電装置10の効果を奏するほか、確実に二次ストリーマ放電に遷移してから第2制御部54での制御へ移行させることができるため、信頼性の向上を図ることができる。
The
上述の例では、第1放電を一次ストリーマ放電、第2放電を二次ストリーマ放電としたが、その他、第1放電をグロー放電、第2放電をストリーマ放電としてもよいし、第1放電をストリーマ放電、第2放電をアーク放電としてもよい。 In the above example, the first discharge is a primary streamer discharge and the second discharge is a secondary streamer discharge. However, the first discharge may be a glow discharge, the second discharge may be a streamer discharge, and the first discharge may be a streamer discharge. The discharge and the second discharge may be arc discharge.
なお、本発明に係る放電装置は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。 In addition, the discharge device according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various configurations can be adopted without departing from the gist of the present invention.
10、10a、10b…放電装置 12…プラズマ処理室
14a、14b…一対の電極 14a…一方の電極(陰極)
14b…他方の電極(陽極) 16…パルス生成部
18…パルス制御部 20…パルス発生回路
44…ダイオード 50…スイッチング制御部
52…第1制御部 54…第2制御部
56…第1時間計測部 58…制御切替部
60…第1オンタイミング生成部 62…第1オフタイミング生成部
64…第2オンタイミング生成部 66…第2オフタイミング生成部
68…蓄積時間変更部 76…放電検出部
78…第2時間計測部 80…カメラ
82…画像処理部 84…電圧判別部
DESCRIPTION OF
14b ... the other electrode (anode) 16 ...
Claims (12)
前記パルス制御部は、
前記一対の電極に1以上の第1パルスを印加して、前記一対の電極において第1放電から第2放電に遷移させる第1制御部と、
前記第1放電から前記第2放電に遷移した後に、前記一対の電極に2以上の第2パルスを印加する第2制御部とを有し、
前記第1パルスのピーク電圧値及びピーク電流値をVa及びIa、前記第2パルスのピーク電圧値及びピーク電流値をVb及びIbとし、前記第1パルスの電流の導通時間をTi1、前記第2パルスの電流の導通時間をTi2としたとき、
Va>Vb
Ia<Ib
Ti1<Ti2
であることを特徴とする放電装置。 A pair of electrodes, a pulse generation unit that applies a pulse between the pair of electrodes, and a pulse control unit that controls the pulse generation unit to generate a discharge in the pair of electrodes,
The pulse control unit
A first control unit that applies one or more first pulses to the pair of electrodes, and causes a transition from a first discharge to a second discharge at the pair of electrodes;
A second control unit that applies two or more second pulses to the pair of electrodes after transition from the first discharge to the second discharge;
The peak voltage value and peak current value of the first pulse are Va and Ia, the peak voltage value and peak current value of the second pulse are Vb and Ib, the conduction time of the current of the first pulse is Ti1, and the second pulse When the conduction time of the pulse current is Ti2,
Va> Vb
Ia <Ib
Ti1 <Ti2
A discharge device characterized by the above.
前記第1パルスのパルス幅をTp1、前記第2パルスのパルス幅をTp2としたとき、
Tp1<Tp2
であることを特徴とする放電装置。 The discharge device according to claim 1, wherein
When the pulse width of the first pulse is Tp1, and the pulse width of the second pulse is Tp2,
Tp1 <Tp2
A discharge device characterized by the above.
前記第1放電が一次ストリーマ放電であり、
前記第2放電が二次ストリーマ放電であることを特徴とする放電装置。 The discharge device according to claim 1 or 2,
The first discharge is a primary streamer discharge;
The discharge device, wherein the second discharge is a secondary streamer discharge.
前記一対の電極間に生成されたラジカルの反応時間をTrとしたとき、前記第2パルスの電流の導通時間Ti2は、
0.75Tr≦Ti2≦2.00Tr
であることを特徴とする放電装置。 In the discharge device according to any one of claims 1 to 3,
When the reaction time of radicals generated between the pair of electrodes is Tr, the conduction time Ti2 of the current of the second pulse is
0.75Tr ≦ Ti2 ≦ 2.00Tr
A discharge device characterized by the above.
前記第1制御部は、2以上の前記第1パルスを印加し、
前記第1パルスのパルス周期をTa、前記第2パルスのパルス周期をTbとしたとき、
Ta<Tb
であることを特徴とする放電装置。 The discharge device according to any one of claims 1 to 4,
The first control unit applies two or more first pulses,
When the pulse period of the first pulse is Ta and the pulse period of the second pulse is Tb,
Ta <Tb
A discharge device characterized by the above.
前記第1パルスのパルス数は1〜10であることを特徴とする放電装置。 In the discharge device according to any one of claims 1 to 5,
The number of pulses of the first pulse is 1-10.
前記パルス生成部は、直流電源部の両端に直列接続されたトランス及びスイッチを有し、前記パルス制御部の前記スイッチに対するオン制御によって前記トランスへの誘導エネルギーの蓄積を行い、前記パルス制御部の前記スイッチに対するオフ制御によって前記トランスの二次側での前記パルスの発生を行うパルス発生回路を有することを特徴とする放電装置。 In the discharge device according to any one of claims 1 to 6,
The pulse generation unit includes a transformer and a switch connected in series at both ends of a DC power supply unit, accumulates inductive energy in the transformer by ON control with respect to the switch of the pulse control unit, A discharge device comprising: a pulse generation circuit that generates the pulse on the secondary side of the transformer by turning off the switch.
前記第2制御部は、該第2制御部による制御の開始時点で、前記トランスへの誘導エネルギーの蓄積時間を変更することを特徴とする放電装置。 The discharge device according to claim 7, wherein
The discharge device according to claim 2, wherein the second control unit changes an accumulation time of induction energy in the transformer at a start time of control by the second control unit.
前記第2制御部による制御の開始時点は、前記第1制御部による制御の開始時点から予め設定された時間が経過した時点であることを特徴とする放電装置。 The discharge device according to claim 8, wherein
The starting point of control by the second control unit is a point in time that is set in advance from the starting point of control by the first control unit.
前記パルス制御部は、
前記一対の電極で前記第2放電に遷移したことを検出する放電検出部を有し、
前記第2制御部による制御の開始時点は、前記放電検出部が前記一対の電極間で前記第2放電に遷移したことを検出してから予め設定した時間が経過した時点であることを特徴とする放電装置。 The discharge device according to claim 8, wherein
The pulse control unit
A discharge detector that detects the transition to the second discharge with the pair of electrodes;
The start point of the control by the second control unit is a point in time when a preset time has elapsed since the discharge detection unit detected that the transition to the second discharge was performed between the pair of electrodes. Discharge device.
前記放電検出部は、
前記一対の電極間に発生する前記放電の動画像を取得するカメラと、
前記カメラにて取得された前記放電の動画像に基づいて、前記第1放電から前記第2放電に遷移したタイミングを検知する画像処理部と、を有することを特徴とする放電装置。 The discharge device according to claim 10, wherein
The discharge detector is
A camera that acquires a moving image of the discharge generated between the pair of electrodes;
And an image processing unit configured to detect a timing at which the first discharge is changed to the second discharge based on a moving image of the discharge acquired by the camera.
前記放電検出部は、
前記一対の電極間の電圧が低下して、予め設定されたしきい値電圧以下になった段階で、前記第2放電に遷移したとして判別する電圧判別部を有することを特徴とする放電装置。 The discharge device according to claim 10, wherein
The discharge detector is
A discharge device, comprising: a voltage determining unit that determines that transition to the second discharge has occurred when a voltage between the pair of electrodes decreases and becomes equal to or lower than a preset threshold voltage.
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Cited By (1)
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EP3633070A4 (en) * | 2017-05-29 | 2021-01-27 | Doosan Corporation | Hydrogen generation device and hydrogen generation method |
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2013
- 2013-02-12 JP JP2013023985A patent/JP2013165062A/en active Pending
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