JP2014032771A - プラズマ生成装置用の電源及びプラズマ生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ生成装置用の電源として適した、構成が簡便でしかも効率良くプラズマを生成できる電源を提供する。
【解決手段】負荷であるプラズマリアクター２０に電力を供給するための電源１０であって、トランス１２と、トランス１２とプラズマリアクター２０との間に直列に接続される複数のＳＩＤＡＣ１３とを備える。電源１０は、さらに、トランス１２とプラズマリアクター２０との間に直列に接続されるＳＩＤＡＣ１３の個数を切り替えるためのスイッチ１４を備えてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ生成装置用の電源及びプラズマ生成装置に関する。

プラズマジェットは大気圧非平衡プラズマの一種である。大きな特徴として、プラズマジェットは電子温度が数万Ｋと高温なのに対し、ガス温度は常温程度であるため照射対象に熱負荷をかけずに、化学的に活性なラジカルによるプラズマプロセスを行うことが可能である。近年、大気圧非平衡プラズマの医療、生物分野や、燃料改質、プラズマＣＶＤ、ナノチューブ合成など様々な領域への応用が急速に進んでいる。大気圧非平衡プラズマを生成するための装置は、これまでに多数提案されている（例えば、特許文献１〜３）。

国際公開第２００８／０７２３９０号 特開２００８−１０３７３号公報 特開２００４−１４４９４号公報

大気圧において効率良くプラズマを生成するための要素として、電源の高周波化、急峻な電圧変化、プラズマ領域の縮小化などが挙げられる。従来の大気圧プラズマ生成装置では、効率良くプラズマを生成するために、一般に、構成が比較的複雑な（つまり高価な）高周波電源を用いて、電源の高周波化、急峻な電圧変化を達成している。

このような事情から、プラズマ生成に適した、構成がより簡便な（つまり安価な）電源への要望は大きいが、プラズマ生成装置用の電源として、構成が簡便でしかも効率良くプラズマを生成できる電源は、これまで知られていない。

そこで、本発明は、従来よりも構成が簡便でしかも効率良くプラズマを生成できる電源を提供する。

上述の課題を解決するために、開示される電源の１つの態様は、負荷であるプラズマリアクターに電力を供給するための電源であって、昇圧トランスと、前記昇圧トランスと前記負荷との間に直列に接続される複数のＳＩＤＡＣ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｄｉｏｄｅ ｆｏｒ Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ Ｃｕｒｒｅｎｔ）とを備える。

本開示に係る電源の態様によれば、昇圧トランス（例えばネオントランス）で、数十Ｈｚ、１００Ｖ〜２００Ｖ程度の低周波数かつ低電圧の商用電源から高電圧を生成し、生成された高電圧に、ＳＩＤＡＣの非線形特性による波形歪（つまり高周波成分）を与えることができる。これにより、プラズマ生成に適した、急峻な電圧変化を含んだ高電圧が得られる。昇圧トランス及びＳＩＤＡＣは何れも安価でかつ入手が容易なため、前記電源は非常に簡便に構成できる。発明者らによる実験によって、このような簡便な電源を用いて、プラズマジェットが効率良く生成できることが確かめられている。

実施の形態に係るプラズマ生成装置の構成の一例を示す模式図 実施の形態に係る電圧波形及び電流波形の一例を示すグラフ 実施の形態に係る電圧波形及び電流波形の一例を示すグラフ 実施の形態に係る電圧波形及び電流波形の一例を示すグラフ 実施の形態に係る電圧波形及び電流波形の一例を示すグラフ 実施の形態に係るＡｒプラズマジェットの生成状況の一例を示す画像 実施の形態に係るＡｒプラズマジェットの分光分析の結果の一例を示すグラフ 実施の形態に係るＡｒプラズマジェットの分光分析の結果の一例を示すグラフ 実施の形態に係るＨｅプラズマジェットの生成状況の一例を示す画像 実施の形態に係るＨｅプラズマジェットの分光分析の結果の一例を示すグラフ 実施の形態に係るＨｅプラズマジェットの分光分析の結果の一例を示すグラフ 実施の形態に係るプラズマ照射対象の表面温度の変化の一例を示すグラフ 実施の形態に係るプラズマ照射対象の表面温度の変化の一例を示すグラフ

開示される電源の１つの態様は、負荷であるプラズマリアクターに電力を供給するための電源であって、昇圧トランスと、前記昇圧トランスと前記負荷との間に直列に接続される複数のＳＩＤＡＣとを備える。

本態様によれば、昇圧トランス（例えばネオントランス）で、数十Ｈｚ、１００Ｖ〜２００Ｖ程度の低周波数かつ低電圧の商用電源から高電圧を生成し、生成された高電圧に、ＳＩＤＡＣの非線形特性による波形歪（つまり高周波成分）を与えることができる。これにより、プラズマ生成に適した、急峻な電圧変化を含んだ高電圧が得られる。昇圧トランス及びＳＩＤＡＣは何れも安価でかつ入手が容易なため、前記電源は非常に簡便に構成できる。発明者らによる実験によって、このような簡便な電源を用いて、プラズマジェットが効率良く生成できることが確かめられている。

また、前記電源は、さらに、前記昇圧トランスと前記負荷との間に直列に接続されるＳＩＤＡＣの個数を切り替えるためのスイッチを備えてもよい。

本態様によれば、ＳＩＤＡＣの個数を切り替えることで、プラズマの発光強度を調整することができる。

また、開示されるプラズマ生成装置の１つの態様は、昇圧トランスと、前記昇圧トランスと前記プラズマリアクターとの間に直列に接続されている複数のＳＩＤＡＣと、前記昇圧トランスから前記複数のＳＩＤＡＣを介して供給される高電圧を用いてプラズマを生成するプラズマリアクターとを備える。前記プラズマリアクターは、前記高電圧で生じる誘電体バリア放電によってプラズマを生成してもよい。

この態様によれば、昇圧トランスとＳＩＤＡＣとで構成される簡便な電源を用いて、プラズマを効率よく生成できるプラズマ生成装置が得られる。

以下、本発明の実施の形態に係るプラズマ生成装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。

なお、以下で説明する実施の形態は、本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係るプラズマ生成装置の構造の一例を示す模式図である。

プラズマ生成装置１は、電源１０及びプラズマリアクター２０で構成されている。

電源１０は、商用電源１１から、プラズマ生成に適した急峻な電圧変化を含んだ高電圧を生成する電源であり、トランス１２及び複数のＳＩＤＡＣ１３を備える。複数のＳＩＤＡＣ１３は、トランス１２と負荷であるプラズマリアクター２０との間に直列に接続される。ここで、トランス１２は、昇圧トランスの一例である。

電源１０は、さらに、トランス１２とプラズマリアクター２０との間に接続されるＳＩＤＡＣ１３の個数を切り替えるためのスイッチ１４を備えてもよい。スイッチ１４は、トランス１２とプラズマリアクター２０とを、ＳＩＤＡＣ１３を介さずに直結できてもよい。

トランス１２は、例えばネオントランスであってもよい。ネオントランスは、ネオン管を点灯させるために一般的に用いられる、磁器漏れ変圧器やインバーター回路を用いて構成される昇圧トランスであり、入力電圧が１００Ｖ又は２００Ｖに対し、出力電圧は６０００Ｖ〜１５０００Ｖなどの種類がある。ネオントランスは、通常、数千円〜数万円程度で入手できる。

ＳＩＤＡＣ１３は、規定のしきい値以上の電圧印加にて通電する双方向電圧トリガー型の半導体素子であり、スイッチ素子やパルス生成素子として広く利用されている。ＳＩＤＡＣ１３は、通常、数百円／個程度で入手できる。

プラズマリアクター２０は、一例として、誘電体バリア放電によってソースガス３１からプラズマジェット３２を生成するリアクターであり、ガス導入部２１、石英管２２、ボンド２３、内部電極２４、及び外部電極２５で構成されている。ソースガス３１には、例えば、希ガス（Ａｒ、Ｈｅ）が用いられる。

ガス導入部２１は、ソースガス３１を石英管２２へ導く部材であり、気密性のボンド２３によって、石英管２２と接合されている。

石英管２２は、一例として、外径が３．０ｍｍ、内径が１．６ｍｍの大きさである。

内部電極２４は、石英管２２の内部に通された電極であり、例えば銅線であってもよい。

外部電極２５は、石英管２２の外周を覆う電極であり、例えばアルミ箔であってもよい。

上述のように構成されたプラズマ生成装置１において、プラズマリアクター２０のガス導入部２１から石英管２２へソースガス３１を導入する。そして、電源１０から、内部電極２４と外部電極２５との間に急峻な電圧変化を含んだ高電圧を印加することで、石英管２２内のソースガス３１中で、内部電極２４と外部電極２５との間で誘電体バリア放電が起こり、ソースガス３１からプラズマジェット３２が生成される。

なお、上記では、誘電体バリア放電によってプラズマジェットを生成するプラズマリアクターを例示したが、この他にも例えば、希ガス等の利用を必要としない大気圧プラズマ生成装置が知られている（例えば、特許文献４：特表２００３−５１４１１４号公報、特許文献５：特表２００３−５１８３１７号公報）。

誘電体バリア放電に限らず、高電圧を用いてプラズマを生成する装置では、一般に、電源のパルス化が重要であり、その周波数を変えることがプラズマ特性を制御する上で重要であると考えられている。従って、電源１０によれば、例えば、誘電体バリア放電などの具体的なプラズマ生成方式によって限定されることなく、一般に高電圧を用いてプラズマを生成するプラズマリアクターを、広く、好適に駆動することができる。

すなわち、電源１０によって駆動されるプラズマリアクターは、誘電体バリア放電や熱プラズマ方式など、どのようなプラズマの生成方式を用いてもよく、また、大気圧下、減圧下、水中の何れでプラズマを生成してもよい。典型的には、上述したプラズマリアクター２０のように、非平衡大気圧のプラズマジェットを生成してもよい。

発明者らは、プラズマ生成装置１によって、実際にプラズマジェットを生成し、対象に照射する実験を行った。以下、この実験について、詳細に説明する。

この実験では、トランス１２の二次電圧を４０ｋＶｐｐ、周波数を６０Ｈｚ、ソースガス３１のガス種をＡｒ、Ｈｅの２種類で、いずれも流量を４ｓｌｐｍとし、トランス１２の二次巻線とプラズマリアクター２０の内部電極２４との間に直列に接続するＳＩＤＡＣ１３の個数を０、１０、２０、３０の４種類とした場合に、ガス種とＳＩＤＡＣ１３の個数との８通りの組み合わせにおいて、プラズマジェット３２を生成した。生成したプラズマジェット３２を、人間の皮膚に近いとされる豚肉に照射した。

図２Ａ〜図２Ｄは、実施の形態に係る電圧波形及び電流波形の一例を示すグラフである。図２Ａ〜図２Ｄは、それぞれ、トランス１２の二次巻線とプラズマリアクター２０の内部電極２４とを直結した場合（つまりＳＩＤＡＣ１３が０個）、及びトランス１２の二次巻線とプラズマリアクター２０の内部電極２４との間に１０、２０、３０個のＳＩＤＡＣ１３を直列に接続した場合について、電源１０の出力電圧（上段）及び出力電流（下段）を示している。

トランス１２の二次巻線とプラズマリアクター２０の内部電極２４との間に複数のＳＩＤＡＣ１３を直列に接続することにより、電圧波形が階段状の波形に変形し、電流波形に現れるパルスの数が増加するという結果が得られた。

この波形の変形は、トランス１２で生成された高電圧に、ＳＩＤＡＣ１３の非線形特性による波形歪（つまり高周波成分）が与えられたことを表している。このように、トランス１２と複数のＳＩＤＡＣ１３とで構成される簡便な電源１０によって、商用電源１１から、プラズマ生成に適した、急峻な電圧変化を含んだ高電圧が得られることが確かめられた。

図３は、実施の形態に係るＡｒプラズマジェットの生成状況の一例を示す画像である。画像には、左から、放電前のプラズマリアクター２０、及びＳＩＤＡＣ１３の接続個数に応じて生成されたＡｒプラズマジェットが表されている。

図４Ａ、図４Ｂは、実施の形態に係るＡｒプラズマジェットの分光分析の結果の一例を示すスペクトルである。図４Ａ、図４Ｂには、ＳＩＤＡＣ１３の接続個数が０、１０、２０、３０個のそれぞれの場合について、石英管２２の出口から外へ２ｍｍの地点でＡｒプラズマジェットを観測（分光分析）して得られたスペクトルが示されている。斜線で示した領域は、ＳＩＤＡＣ１３を使用しなかった（０個の）場合のスペクトルである。図４Ａ、図４Ｂから、ＳＩＤＡＣ１３を使用したことで、プラズマの発光強度（特にＯＨ、Ａｒに由来する発光強度）が増加していることが分かる。

図５は、実施の形態に係るＨｅプラズマジェットの生成状況の一例を示す画像である。画像には、左から、放電前のプラズマリアクター２０、及びＳＩＤＡＣ１３の接続個数に応じて生成されたＨｅプラズマジェットが表されている。図５から、ソースガスがＨｅの場合は、ＳＩＤＡＣ１３の接続個数を増やすにつれて、ジェット部のみならず内部電極２４と外部電極２５との間でも、発光の顕著な増加が認められる。

図６Ａ、図６Ｂは、実施の形態に係るＨｅプラズマジェットの分光分析の結果の一例を示すスペクトルである。図６Ａ、図６Ｂには、ＳＩＤＡＣ１３の接続個数が０、１０、２０、３０個のそれぞれの場合について、石英管２２の出口から外へ２ｍｍの地点でＨｅプラズマジェットを観測（分光分析）して得られたスペクトルが示されている。斜線で示した領域は、ＳＩＤＡＣ１３を使用しなかった（０個の）場合のスペクトルである。図６Ａ、図６Ｂから、Ａｒプラズマジェットの場合と同様、ＳＩＤＡＣ１３の接続個数が多いほど、プラズマの発光強度（特にＮ_２、Ｈｅ、Ｏに由来する発光強度）が増加していることが分かる。

図７Ａ、図７Ｂは、実施の形態に係るプラズマ照射対象の表面温度の変化の一例を示すグラフである。ＳＩＤＡＣ１３の接続個数が０、１０、２０、３０個のそれぞれの場合について、Ａｒプラズマジェット（図７Ａ）、Ｈｅプラズマジェット（図７Ｂ）を、対象である豚肉に６００秒間連続して照射した場合に、豚肉表面で観測された最高温度の時間変化が示されている。

図７Ａから、Ａｒプラズマジェットを照射する場合には、ＳＩＤＡＣ１３の接続個数に応じた対象表面の温度上昇量の顕著な違いは見られない。また、図７Ｂから、Ｈｅプラズマジェットを照射する場合、ＳＩＤＡＣ１３の接続個数が多いほど、対象表面の温度上昇量が大きくなる傾向が認められる。

表１に、対象表面温度の５００秒〜６００秒の間での平均値を示す。

表１から、ＳＩＤＡＣの接続個数の違いによる温度上昇量の違いについては、Ａｒの場合にはほとんど認められず、Ｈｅの場合には３℃程度の違いが認められた。

このデータから、プラズマ生成装置１で生成されるＡｒプラズマジェット、Ｈｅプラズマジェットは、許容される熱負荷が比較的小さい対象への直接照射が可能であることが確かめられた。

以上説明したように、トランス１２と複数のＳＩＤＡＣ１３とで構成された電源１０によって商用電源１１から生成した高電圧を用いて、ＳＩＤＡＣ１３を用いない場合よりも発光強度が大きなプラズマジェットを生成できることが確かめられた。プラズマジェットの照射対象が受ける熱負荷の、ＳＩＤＡＣ１３を用いたための増加量は、ガス種に応じて、ほとんどないか又はわずかである。

従って、電源１０によれば、プラズマ生成装置用の電源として適した、構成が簡便でしかも効率良くプラズマを生成できる電源が提供できる。

以上、本発明の態様に係るプラズマ生成装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。

例えば、複数のプラズマリアクターでプラズマを生成して対象に照射するプラズマ生成装置が考えられる。このようなプラズマ生成装置では、単一の電源で生成した高電圧を分岐して、複数のプラズマリアクターに供給してもよい。このようなプラズマ生成装置は、大面積の対象を処理する上で好適である。

また、複数のプラズマリアクターのそれぞれに個別に本発明の電源を設けてもよい。その場合でも、個々の電源が簡便かつ安価に構成されているため、大きなコスト上昇は起こりにくい。しかも、個別の電源で個々のプラズマリアクターを独立に駆動できるため、制御性が良く、例えば生産設備におけるプラズマ生成装置に好適である。

本発明は、プラズマ生成装置用の電源に利用できる。とりわけ、簡便で安価な電源によって効率よくプラズマを生成できることから、多くの応用分野に広くプラズマ生成装置を普及させるための大きな利用可能性を有している。

１ プラズマ生成装置
１０ 電源
１１ 商用電源
１２ トランス
１３ ＳＩＤＡＣ
１４ スイッチ
２０ プラズマリアクター
２１ ガス導入部
２２ 石英管
２３ ボンド
２４ 内部電極
２５ 外部電極
３１ ソースガス
３２ プラズマジェット

Claims (5)

1. 負荷であるプラズマリアクターに電力を供給するための電源であって、
   昇圧トランスと、
   前記昇圧トランスと前記負荷との間に直列に接続される複数のＳＩＤＡＣと
   を備える電源。
2. さらに、前記昇圧トランスと前記負荷との間に直列に接続されるＳＩＤＡＣの個数を切り替えるためのスイッチを備える
   請求項１に記載の電源。
3. 前記昇圧トランスはネオントランスである
   請求項１または２に記載の電源。
4. 昇圧トランスと、
   前記昇圧トランスと前記プラズマリアクターとの間に直列に接続されている複数のＳＩＤＡＣと、
   前記昇圧トランスから前記複数のＳＩＤＡＣを介して供給される高電圧を用いてプラズマを生成するプラズマリアクターと
   を備えるプラズマ生成装置。
5. 前記プラズマリアクターは、前記高電圧で生じる誘電体バリア放電によってプラズマを生成する
   請求項４に記載のプラズマ生成装置。