JP2013168297A

JP2013168297A - 放電装置

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Publication number: JP2013168297A
Application number: JP2012031268A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Morita; 達夫森田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-02-16
Filing date: 2012-02-16
Publication date: 2013-08-29

Abstract

【課題】組み立てが容易で、小型から大型まで対応可能な放電装置を提供すると同時にプラズマ領域から所望の極性の荷電粒子を抽出して実用に供する。
【解決手段】接地電極１３である金属層を密着させた円筒状の誘電体筒１１と、誘電体筒１１と同軸に配置された高圧印加電極１２である金属棒で双極性放電電極を構成し、誘電体筒１１の一端を開放して、空間ギャップを介して単極性高電圧印加電極１４である金属メッシュを対向配置し単極性の高電圧を印加する。
【選択図】図１

Description

大気圧中でプラズマを誘起する放電装置であって、プラズマ中から所望の極性のイオ
ンを引き出し利用するための高圧回路、電極構造および配置に関する。大気圧プラズ
マ処理装置全般に利用されるが、特に空気清浄装置に代表される空調機器、表面処理
装置や水素含有の大気圧還元処理装置などに有効である。

非平衡低温プラズマの化学的活性の有用性は古くより広く認識され実用に供されて
きた。代表的には減圧系で供せられる半導体製造プロセスにおけるプラズマCVD装置や
ドライエッチング装置などを挙げることができる。一方大気圧非平衡プラズマにおい
てはオゾナイザーがその応用の典型であろう。いずれもそのプラズマ誘起には無声放
電や沿面放電などの誘電体バリヤー放電が主として用いられてきた。それは交番電界
を用いることによりホモ電荷を利用して放電開始印加電圧を下げることができるため
であり、また大面積に均一な放電を誘起できるためである。

近年、環境問題や材料の表面処理の要請から大気圧プラズマが着目され、その発生方
法が工夫されて種々に実用に供せられている。一例を挙げれば空気清浄機がある。特
許文献１には放電によりプラスとマイナスの両イオンを発生させるモードと主として
マイナスイオンを発生させるモードを用意して環境用途に供する方法が開示されてい
る。大気中でプラスとマイナス両イオンが発生、すなわちプラズマが誘起されればオ
ゾンが発生し殺菌効果の効果が得られる。一方マイナスイオンはリラクゼーションな
ど、健康に良い効果をもたらすとされている。また特許文献２においては沿面放電に
よって発生させたプラズマをトーチ状にして非処理材料に照射し表面処理を行う方法
が開示されている。

特開２００２−３１９４７２国際公開番号ＪＰＷＯ２００７/１０５４２８

本発明は大気圧中で、より広い領域に低電圧でプラズマを誘起し、殺菌や表面処理に
プラズマを供するとともに、該プラズマからプラスイオンあるいはマイナスイオンを
選択的に抽出して適宜役に供することを簡便にして行う手段を提供するものである。

外部印加電圧を低減するために交番電界を用いた端面開放型の円筒同軸誘電体バリ
ヤー放電を用いてプラズマを誘起するとともに単極性の第三電極を設置してプラズマ
から所望の極性の電荷を引き抜く。特許文献１に記載の方法ではマイナスイオン形成
に電流方向を制限することで単極性の放電を誘起しているが、プラズマ中にはプラス
とマイナスの電荷が等量あり、マイナスイオンを優先して利用する方法としては十分
とは言い難い。また特許文献２には円筒形の誘電体バリヤー放電を用いたプラズマジ
ェットの形成法が開示されているが、沿面放電が用いられており、そのプラズマ領域
は局所的で量的効果が十分ではない。本発明によって上記課題は解決される。

外部印加電圧が２KV以下で円筒同軸放電管内に均一にプラズマを誘起することがで
き、該放電管を束ねることで開放端と対向する平面に対してプラズマ処理ができる。
また開放端と対向して単極性の電極を配置することでプラズマ領域よりプラスまたは
マイナス電荷を自由空間に引き出すことができる。本発明により小型から大型までの
空気調和機用放電装置並びにプラズマ表面処理装置を提供することができる。

放電装置電極の説明図である。内部電極表面の電界強度の説明図である。高電圧発生回路の説明図である。空気調整機の説明図である。表面処理装置の説明図である。

円筒形誘電体ガラス管を用いる。石英管もしくはホウケイサンガラス管が望ましい
がソーダガラス管を使用してもよい。肉厚は1ｍｍ以下が望ましく、機械的強度と放電
のしやすさの兼ね合いから０．３〜０．６ｍｍが望ましい。径は特に制限はないが、
同芯軸に配置される金属棒の外径φに対して内径ΦがΦ>φ>０．４Φの関係を保つこ
とが必要とされる。これも機械的強度との兼ね合いから肉厚０．３〜０．６ｍｍのガ
ラス管においては外径３ｍｍ程度が望ましい。このとき金属棒は上記関係から１ｍｍ
〜１．５ｍｍφがよい。金属は対プラズマ耐性を考慮してステンレス鋼が望ましいが、
表面をＣｒやＴｉＯ２でコーティングした導電材料であってもよい。Ｃｒは導電材料
のプラズマ耐性を向上させるものであり、ＴｉＯ２はプラズマの光を利用した触媒効
果を付与するためのものである。またセラミクスやダイヤモンド、ダイヤモンドライ
クカーボンなどの絶縁体や半絶縁体を被覆した導体を用いてもよいが、その被覆厚さ
は３００μｍ以下が望ましい。開放端と対向する電荷引き出し電極は気体の流れを阻
害しないよう端面から離して設置されなければならないが、電荷引き出しの電界強度
との兼ね合いで決定される。

図１に放電ユニット1の例を示す。誘電体筒11は外径３ｍｍのホウケイサンガラス管
で内径は１．８ｍｍ、肉厚は０．６ｍｍ、長さは１５ｍｍとした。装置本体に取り付
ける電極支持台１９に合計4本搭載した。１２は誘電体筒１１の中心軸に沿って配置さ
れた高圧印加電極であり、本事例では外径１ｍｍのステンレス線を用いた。銅、銅合
金、アルミ、アルミ合金など良導電性金属を用いてもよい。また表面に１ｍｍ以下の
薄い誘電体膜をコーティングしてもよい。またＴｉＯ２など触媒性を有する導電性材
料を塗布し、反応を促進することも有効である。１３は誘電体筒の外周に設けられた
接地電極である。本例の場合、導電性のカーボンペーストを用い外周に均一に塗布し
て形成したが、無電解メッキによって金属で形成してもよい。誘電体との間に放電空
間を生じさせることなく密着させて形成することが肝要である。該接地電極は配線
１５で連結される。高電圧は端子１６から給電される。接地は端子１７に接続される。
１４は単極性高電圧印加電極で本事例では金属メッシュが使用されているが金網や金
属板であってもよい。材質は耐食性のよいステンレスが望ましい。また表面に
ＴｉＯ２など触媒性を有する導電性材料を塗布し、反応を促進することも有効である。
高電圧の給電は端子１８から行われる。

図２は内部ステンレス棒電極表面の電界強度を円筒同軸電界強度Ｅｒと同等ギャッ
プの並行平板電界強度Ｅｐで表したものである。印加電圧は４．５ＫＶとした。横軸
は高圧印加ステンレス棒径φの誘電体筒内径Φに対する割合である。円筒同軸電界強
度は軸電極径が増大すると急速に弱まり、他方並行平板電極電界成分が増大してくる。
両者が漸近し、円筒同軸電界強度が再び上昇を始めるところより以降は並行平板電界
強度が支配している領域と考えられる。並行平板により形成されるギャップは放電に
対して同芯軸上に配置された場合であるが、放電を形成したい場合はこれを基準にし
て考えればよい。同芯軸より電極がずれた場合はギャップの短くなる部分で放電がよ
り起こり易くなるからである。従って軸電極の径を平衡電極電界が支配している領域
に設定しておくことで、該電極が誘電体筒の中心軸からずれても広範囲で放電を得る
ことが可能となる。φ>０．４Φが望ましい。本事例の場合はφ＝０．５５Φとなって
いる。

図３は高電圧発生回路３０を示す。直流電源Ｅ１から供給される電圧はコンデンサ
ーＣ２と一次コイル３１−１の共振周波数の交流に、スイッチングコイル３１−２に
より起動されるトランジスターＱ１及びＱ２のスイッチングによって変換され、二次
コイル３１−３によって昇圧されて放電電極３２へ印加される。このとき電極３２−
１へは高圧の双極性電圧が印加される。電源のマイナス側を基準にすれば対極にプラ
スとマイナスの交番高圧電界が誘起される。電極３２−２はダイオードＤ１を通して
電圧印加されるので電極３２−１によって誘起されたプラズマに対してプラス電圧の
みが印加されることになる。ダイオードＤ１の極性を逆にすればマイナス電圧のみの
印加となる。コイルＬ１、コンデンサーＣ１は電圧、電流のリプルを抑制する平滑回
路素子であり、トランジスターＱ３、Ｑ４、および抵抗Ｒ２、Ｒ３は定電流回路を構
成するものであ
る。

図４に空気調整機５０を示す。空気はファン５３によりフィルタ５２−１を通して空
気調整室５１に導入され、放電ユニット１で生成された荷電粒子、ラジカル、紫外線
などにより殺菌や消臭、有機成分の分解などの空気調整が行われる。空気の流れが開
放端１１と電極１４の間に生じ、電荷の堆積が阻止されて電気的橋絡が阻止される。

図５に表面処理装置７０を示す。表面処理用の原料ガスは導入口７２より処理室７１
に導入され、放電ユニット１によって形成されたプラズマのダウンストリームが、支
持台７５に指示された被表面処理品７４に達して表面処理が行われる。ガスは排気口
７３から排出される。ガスの流れが開放端１１と電極１４の間に生じ、電荷の堆積が
阻止されて電気的橋絡が阻止される。

放電を必要とする小型から大型装置までに対応でき、プラズマの応用範囲を拡大す
るとともに従来のプラズマ機器の製造をより簡便化する。具体的には空気清浄機であ
り、オゾナイザーであり、酸化処理装置であり、そして還元処理装置などである。

１・・・放電ユニット
１１・・・誘電体管

１２・・・双極性高圧印加同軸電極

１３・・・接地電極

１４・・・単極性高圧印加電極

１５・・・接地電極配線

１６・・・双極性高圧電極給電口

１７・・・接地電極接続口

１８・・・単極性高圧電極給電口

１９・・・装置取り付け台

３０・・・高電圧発生回路

３１・・・高圧トランス

３１−１・・一次コイル

３１−２・・スイッチングコイル

３１−３・・二次コイル

３２・・・放電電極

３２−１・・双極性放電電極

３２−２・・イオン引き出し電極

５０・・・空気調整機

５１・・・空気調整室

５２−１・・導入側フィルタ

５２−２・・排気側フィルタ

５３・・・ファン

７０・・・表面処理装置

７１・・・表面処理室

７２・・・ガス導入口

７３・・・ガス排出口

７４・・・被表面処理品

７５・・・支持台

７６・・・ガスケット

Claims

放電を維持する双極性電極一対と、それらに対して垂直方向に配置された単極性電
極を具備した放電装置であって、該双極性電極が誘電体を介して円筒同軸に配置され、
その開放端に垂直に空間を経て単極性電極が配置されてなることを特徴とする。
放電空間と単極性電極の間に介在する空間に気体の流れが存在することを特徴とする
請求項１に記載の放電装置。
単極性電極への電圧印加が、双極性電極への電圧印加を分岐してダイオードを介して
なされることを特徴とした放電装置。
双極性電極の一方が内周に誘電体が接合された金属被覆誘電体円筒であって、他方が
該円筒の中心軸に配置された金属棒もしくは線であってその外径φが該円筒の内直径Φ
に対してΦ>φ>０．４Φであることを特徴とする請求項１に記載の放電装置。
放電空間と単極性電極の間に介在する空間に気体の流れがフィルタを通してファンに
よって導入され、他のフィルタを経て排気されることを特徴とする請求項２に記載の放
電装置。
放電空間と単極性電極の間に介在する空間に気体の流れが与圧によりガス導入口を通
して導入され、排気口を経て排気されることを特徴とする請求項２に記載の放電装置。