JP2015144078A - 大気圧プラズマ発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高温のプラズマの発生を防止可能な大気圧プラズマ発生装置を提供する。【解決手段】電極７２への電圧の印加によりプラズマを発生する大気圧プラズマ発生装置１０において、ボルテックスチューブ３６により冷却された処理ガスを冷却ガス流路３２に流し、高温の処理ガスを高温ガス流路６２に流す。そして、高温ガス流路６２にリニア弁６６を配設し、冷却された処理ガスへの高温ガスの混合量を調整する。この際、リニア弁の作動は、吹出口７８から吹き出されるプラズマの温度に基づいて、フィードバック制御される。これにより、プラズマの温度を一定に保つことが可能となる。また、温度センサの異常等により、フィードバック制御が適切に行われない場合には、リニア弁の作動を停止することで、冷却された処理ガスへの高温ガスの混合を停止する。これにより、処理ガスの温度を低くすることが可能となり、高温のプラズマの発生を防止することが可能となる。【選択図】図１

Description

本発明は、大気圧下でプラズマを発生させる大気圧プラズマ発生装置に関するものである。

大気圧プラズマ発生装置は、例えば、１対の電極間に電圧を印加することで、処理ガスをプラズマ化させ、プラズマにより、被処理体に対するプラズマ処理が行われる。ただし、処理ガスをプラズマ化させる際には、高電圧の電力が印加されるため、プラズマが高温となり、被処理体が熱により変形，変質する虞がある。このようなことに鑑みて、下記特許文献に記載の大気圧プラズマ発生装置は、電圧が印加される前に、処理ガスを冷却するためのガス冷却器を備えており、プラズマの温度に応じて、処理ガスが、ガス冷却装置によって冷却される。

詳しくは、大気圧プラズマ発生装置のプラズマの吹出口に、温度センサが設けられており、プラズマの温度が、温度センサによって測定される。そして、温度センサによって測定されたプラズマの温度を用いて、ガス冷却器の作動がフィードバック制御される。つまり、温度センサによって測定されたプラズマの温度が所定の温度より高い場合には、処理ガスの温度が低くなるように、ガス冷却器の作動が制御され、温度センサによって測定されたプラズマの温度が所定の温度より低い場合には、処理ガスの温度が高くなるように、ガス冷却器の作動が制御される。これにより、発生するプラズマの温度を所定の温度に保つことが可能となり、高温のプラズマの発生を防止することが可能となる。

特開２０１０−０６１９３８号公報

上記特許文献に記載の大気圧プラズマ発生装置は、ある程度、高温のプラズマの発生を防止する。しかしながら、処理ガスの温度が低すぎると、処理ガスがプラズマ化しないことを考慮すると、ガス冷却機によって冷却される前の処理ガスは、ある程度、高温であると考えられる。このため、当該装置が、例えば、温度センサ等の異常により、フィードバック制御を適切に行えない場合には、ガス冷却器が適切に制御されず、高温の処理ガスに高電圧の電力が印加される虞がある。このような場合、当該装置は、高温のプラズマを発生し、高温のプラズマにより、被処理体に変形，変質等が生じる虞がある。本発明は、そのような実情に鑑みてなされたものであり、本発明の課題は、温度センサ等の異常が発生した場合であっても、高温のプラズマの発生を防止することが可能な大気圧プラズマ発生装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本願に記載の大気圧プラズマ発生装置は、処理ガスを冷却するガス冷却器と、前記ガス冷却器によって冷却された処理ガスを加温するガス加温器と、前記ガス加温器によって加温された処理ガスが吹き込まれる反応室と、前記反応室内に吹き込まれた処理ガスをプラズマ化するプラズマ発生器と、前記プラズマ発生器によって発生されたプラズマを前記反応室から吹き出すための吹出口と、前記吹出口から吹き出されるプラズマの温度を測定する測定器と、前記測定器によって測定されたプラズマの温度に基づいて、前記ガス加温器の作動を制御することで、前記反応室に吹き込まれる処理ガスの温度を調整する制御装置とを備えることを特徴とする。

本願に記載の大気圧プラズマ発生装置では、処理ガスが、一旦、冷却され、その冷却された処理ガスが、ガス加温器によって、適切な温度の処理ガスに調整されている。このため、例えば、温度センサの異常等により、フィードバック制御が適切に行われない場合には、ガス加温器の作動を停止することで、高温のプラズマの発生を、確実に防止することが可能である。つまり、温度センサの異常時等には、冷却された処理ガスが加温されず、冷却された処理ガスに高圧の電圧が印加される。これにより、温度センサ等に異常が発生した場合であっても、本願に記載の大気圧プラズマ発生装置は、高温のプラズマの発生を確実に防止する。

本発明の実施例である大気圧プラズマ発生装置を示す断面図である。 図１の大気圧プラズマ発生装置が備えるボルテックスチューブを示す概略図である。 図１の大気圧プラズマ発生装置が備える制御装置を示すブロック図である。

以下、本発明を実施するための形態として、本発明の実施例を、図を参照しつつ詳しく説明する。

＜大気圧プラズマ発生装置の構成＞
図１に、本発明の実施例の大気圧プラズマ発生装置１０を示す。大気圧プラズマ発生装置１０は、大気圧下でプラズマを発生させるための装置である。大気圧プラズマ発生装置１０は、躯体２０を有しており、躯体２０は、第１躯体部２２と第２躯体部２４と第３躯体部２６とによって構成されている。第１躯体部２２には、圧縮ガス流路３０と冷却ガス流路３２と高温ガス流路３４とが形成されている。圧縮ガス流路３０の一端部は、第１躯体部２２の上面に開口し、冷却ガス流路３２および高温ガス流路３４の一端部は、第１躯体部２２の下面に開口する。また、圧縮ガス流路３０、冷却ガス流路３２および、高温ガス流路３４の他端部は、第１躯体部２２の内部に配設されたボルテックスチューブ３６に接続されている。

ボルテックスチューブ３６は、ボルテックス効果を利用して、冷却ガスと高温ガスとを発生させるための装置である。ボルテックスチューブ３６は公知の装置であるため、以下に簡単に説明する。ボルテックスチューブ３６は、図２に示すように、概してチューブ状のハウジング５０を備えており、両端部に、冷却ガス吹出口５２と高温ガス吹出口５４とが形成されている。さらに、チューブ状のハウジング５０の側面には、圧縮ガス供給口５６が形成されている。そして、圧縮ガスが、圧縮ガス供給口５６からハウジング５０内に供給されると、供給されたガス５７は、ハウジング５０の内壁面に沿って渦状に、高温ガス吹出口５４に向かって流れる。

その高温ガス吹出口５４には、バルブ５８が設けられている。このため、ハウジング５０内に供給されたガスの一部が、バルブ５８の開閉量に応じて、高温ガス吹出口５４から吹き出されるが、残りのガスは、ハウジング５０内に戻される。バルブ５８によってハウジング５０内に戻されたガス５９は、ハウジング５０の内壁面に沿って渦状に流れるガス５７の内側、つまり、ハウジング５０の径方向における中心部を流れる。そして、ハウジング５０の中心部を流れるガス５９は、冷却ガス吹出口５２に向かって流れ、冷却ガス吹出口５２から吹き出される。

この際、ハウジング５０の内壁面に沿って渦状に流れるガス５７の運動エネルギーと、ハウジング５０の中心部を流れるガス５９の運動エネルギーとの差により、ハウジング５０の中心部を流れるガス５９から、ハウジング５０の内壁面に沿って渦状に流れるガス５７に熱エネルギーが移動する。これにより、高温ガス吹出口５４から、高温のガスが吹き出され、冷却ガス吹出口５２からは、冷却されたガスが吹き出される。

上記構造のボルテックスチューブ３６が、図１に示すように、第１躯体部２２の内部に配設されている。そして、ボルテックスチューブ３６の圧縮ガス供給口５６は、圧縮ガス流路３０に接続され、冷却ガス吹出口５２は冷却ガス流路３２に接続され、高温ガス吹出口５４は高温ガス流路３４に接続されている。

また、第２躯体部２４は、第１躯体部２２の下面に配設されており、第２躯体部２４には、ガス混合路６０と高温ガス流路６２とが形成されている。ガス混合路６０の一端部は、第２躯体部２４の上面に開口し、第１躯体部２２の冷却ガス流路３２に接続されている。また、ガス混合路６０の他端部は、第２躯体部２４の下面に開口している。一方、高温ガス流路６２の一端部は、第２躯体部２４の上面に開口し、第１躯体部２２の高温ガス流路３４に接続されている。また、高温ガス流路６２の他端部は、ガス混合路６０の途中に接続されている。

その高温ガス流路６２には、電磁式リニア弁６６が配設されている。電磁式リニア弁６６は、常閉式の電磁弁であり、電磁式リニア弁６６への供給電力に応じて、弁の開閉量が調整される。このため、電磁式リニア弁６６の弁の開度に応じて、高温ガス流路６２からガス混合路６０に、任意の量の高温のガスが流入する。つまり、ガス混合路６０において、冷却ガス流路３２から流入する冷却ガスと、高温ガス流路６２から流入する高温のガスとが、混合する。

また、第３躯体部２６は、第２躯体部２４の下面に配設されている。第３躯体部２６には、反応室７０が形成されており、その反応室７０の内部には、１対の電極７２が配設されている。各電極７２は、概してＬ字型をしており、各々の端部が互いに対向している。また、第３躯体部２６には、ガス流入路７６と複数の吹出口７８とが形成されている。ガス流入路７６の一端部は、第３躯体部２６の上面に開口し、第２躯体部２４のガス混合路６０に接続されている。また、ガス流入路７６の他端部は、反応室７０内の１対の電極７２の間に向かって開口している。一方、複数の吹出口７８は、ガス流入路７６と向かい合うようにして形成されており、複数の吹出口７８の一端部は、反応室７０に開口し、他端部は、第３躯体部２６の下面に開口している。これにより、後に詳しく説明するように、ガス流入路７６から反応室７０内に流入したガスがプラズマ化され、吹出口７８からプラズマが吹き出される。

さらに、大気圧プラズマ発生装置１０は、図３に示すように、制御装置８０を備えている。制御装置８０は、コントローラ８２と駆動回路８４と制御回路８６とを備えている。駆動回路８４は、電磁式リニア弁６６に接続されている。また、制御回路８６は、１対の電極７２に接続されている。コントローラ８２は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を備え、コンピュータを主体とするものであり、駆動回路８４および制御回路８６に接続されている。これにより、電磁式リニア弁６６の作動、および、１対の電極７２への電圧の印加が、コントローラ８２によって制御される。

また、コントローラ８２は、流量センサ８８および、温度センサ９０にも接続されている。流量センサ８８は、冷却ガス流路３２に配設されており、冷却ガス流路３２を流れるガスの流量を検出する。また、温度センサ９０は、吹出口７８に配設されており、吹出口７８から吹き出されるプラズマの温度を測定する。これにより、コントローラ８２は、冷却ガス流路３２を流れるガスの流量、および、吹出口７８から吹き出されるプラズマの温度を取得する。

＜大気圧プラズマ発生装置によるプラズマの発生＞
大気圧プラズマ発生装置１０は、上述した構成により、反応室７０内に供給されたガスに、電圧を印加することで、ガスをプラズマ化させる。そして、吹出口７８からプラズマを吹き出すことで、被処理体に対してプラズマ処理を施す。具体的に、大気圧プラズマ発生装置１０によるプラズマの発生について以下に、詳しく説明する。

大気圧プラズマ発生装置１０は、まず、圧縮ガス流路３０に圧縮された処理ガスを供給する。処理ガスは、窒素等の不活性ガスと、空気中の酸素等の活性ガスとを任意の割合で混合させたガスであってもよく、不活性ガスや空気のみであってもよい。圧縮ガス流路３０に供給された処理ガスは、ボルテックスチューブ３６に供給される。これにより、上述したように、処理ガスが冷却され、ボルテックスチューブ３６の冷却ガス吹出口５２から、冷却された処理ガスが吹き出される。また、処理ガスが加熱され、ボルテックスチューブ３６の高温ガス吹出口５４から、高温の処理ガスが吹き出される。

冷却ガス吹出口５２から吹き出された処理ガスは、冷却ガス流路３２を介して、ガス混合路６０に流入する。一方、高温ガス吹出口５４から吹き出された処理ガスは、高温ガス流路３４を介して、高温ガス流路６２に流入し、電磁式リニア弁６６の開閉量に応じて、ガス混合路６０に流入する。これにより、冷却された処理ガスと、高温の処理ガスとが、ガス混合路６０で混合する。そして、混合された処理ガスが、ガス流入路７６を経由して、反応室７０内に流入する。

反応室７０では、１対の電極７２に電圧が印加されており、１対の電極７２間に電流が流れる。これにより、１対の電極７２間に放電が生じ、その放電により、処理ガスがプラズマ化される。そして、プラズマが、吹出口７８から吹き出され、被処理体に対するプラズマ処理が行われる。この際、吹出口７８から吹き出されたプラズマの温度が、温度センサ９０によって検出され、コントローラ８２に送信される。コントローラ８２では、吹出口７８から吹き出されたプラズマの温度に基づいて、電磁式リニア弁６６への電力供給量のフィードバック制御が行われる。

詳しくは、吹出口７８から吹き出されたプラズマの温度が設定温度より高い場合には、電磁式リニア弁６６の開度が小さくなるように、電磁式リニア弁６６への電力供給量が制御される。これにより、ガス混合路６０への高温の処理ガスの流入量が少なくなり、吹出口７８から吹き出されるプラズマの温度が低下する。一方、吹出口７８から吹き出されたプラズマの温度が設定温度より低い場合には、電磁式リニア弁６６の開度が大きくなるように、電磁式リニア弁６６への電力供給量が制御される。これにより、ガス混合路６０への高温の処理ガスの流入量が多くなり、吹出口７８から吹き出されるプラズマの温度が上昇する。

このように、大気圧プラズマ発生装置１０は、発生するプラズマの温度を所定の温度に保つ。これにより、大気圧プラズマ発生装置１０は、プラズマの発生を適切に担保するとともに、被処理体に対する熱によるダメージを防止する。詳しくは、処理ガスの温度が低すぎると、処理ガスのプラズマ化が適切に行われない場合があり、処理ガスの温度は高いことが好ましい。一方で、処理ガスの温度が高すぎると、発生するプラズマの温度が高温となり、被処理体が熱により損傷する虞がある。具体的には、例えば、大気圧プラズマ発生装置１０が、熱可塑性樹脂により成形された被処理体に対してプラズマ処理する際に、プラズマの温度が高温になると、被処理体が変形する虞がある。このため、大気圧プラズマ発生装置１０は、フィードバック制御により、処理ガスの温度を所定の温度に保ち、プラズマの発生を適切に担保するとともに、被処理体に対する熱によるダメージを防止する。特に、大気圧プラズマ発生装置１０が、人体に対して治療等を行う場合に、高温のプラズマの発生を適切に防止することが可能となり、安全にプラズマによる治療等を行うことが可能となる。

また、大気圧プラズマ発生装置１０は、処理ガスを、一旦、冷却し、その冷却した処理ガスを、高温の処理ガスによって、適切な温度の処理ガスに調整する。このため、大気圧プラズマ発生装置１０が、例えば、温度センサ９０の異常等により、フィードバック制御を適切に行えない場合には、冷却された処理ガスへの高温の処理ガスの混合を停止することで、高温のプラズマの発生を、確実に防止することが可能である。つまり、大気圧プラズマ発生装置１０は、温度センサ９０の異常時等には、冷却された処理ガスを反応室７０に供給するため、処理ガスがプラズマ化されない。若しくは、大気圧プラズマ発生装置１０は、処理ガスをプラズマ化した場合であっても、高温のプラズマは発生しない。これにより、温度センサ９０に異常が発生した場合であっても、大気圧プラズマ発生装置１０は、高温のプラズマの発生を確実に防止する。

さらに言えば、大気圧プラズマ発生装置１０では、常閉型の電磁式リニア弁６６が採用されている。このため、例えば、大気圧プラズマ発生装置１０が、何らかの理由で、電磁式リニア弁６６への電力供給を停止した場合には、電磁式リニア弁６６は閉弁するため、ガス混合路６０への高温の処理ガスの混合が停止する。つまり、大気圧プラズマ発生装置１０は、電磁式リニア弁６６への電力供給を停止した場合にも、冷却された処理ガスが反応室７０に供給される。このように、大気圧プラズマ発生装置１０は、電磁式リニア弁６６への電力供給を停止した場合あっても、高温のプラズマの発生を確実に防止することが可能となる。

また、大気圧プラズマ発生装置１０では、冷却された処理ガスの供給量が少ない場合には、プラズマの発生が停止する。詳しくは、ボルテックスチューブ３６の冷却ガス吹出口５２から吹き出された処理ガスは、冷却ガス流路３２に流入するが、その冷却ガス流路３２には、上述したように、流量センサ８８が配設されている。大気圧プラズマ発生装置１０は、この流量センサ８８による検出値、つまり、冷却された処理ガスの流量が設定値以下となった場合に、コントローラ８２の指令により、１対の電極７２への電圧の印加を停止する。これにより、大気圧プラズマ発生装置１０は、冷却された処理ガスの反応室への供給量が低下した場合に、プラズマの発生を停止することで、高温のプラズマの発生を防止する。

また、大気圧プラズマ発生装置１０は、処理ガスを冷却する機器として、ボルテックスチューブ３６を採用している。ボルテックスチューブ３６は、電力や薬品等を用いることなく、処理ガスを冷却することが可能である。このため、大気圧プラズマ発生装置１０は、環境性能のよい大気圧プラズマ発生装置１０となる。

さらに、大気圧プラズマ発生装置１０は、ボルテックスチューブ３６により発生した高温の処理ガスを用いて、冷却された処理ガスの温度調整を行う。つまり、大気圧プラズマ発生装置１０は、処理ガスを冷却する際だけでなく、冷却された処理ガスの温度調整を行う際にも、電力や薬品等を用いていない。これにより、大気圧プラズマ発生装置１０の環境性能を相当高くすることが可能となる。

ちなみに、上記実施例において、大気圧プラズマ発生装置１０は、大気圧プラズマ発生装置の一例である。ボルテックスチューブ３６は、ガス冷却器および、ボルテックスチューブの一例である。高温ガス流路６２と電磁式リニア弁６６とによって構成される機構は、ガス加温器の一例である。反応室７０は、反応室の一例である。１対の電極７２は、プラズマ発生器の一例である。吹出口７８は、吹出口の一例である。制御装置８０は、制御装置の一例である。温度センサ９０は、測定器の一例である。

なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した種々の態様で実施することが可能である。具体的には、例えば、上記実施例では、処理ガスを冷却する機器として、ボルテックスチューブが採用されているが、冷却媒体等を用いた機器等を採用することが可能である。また、冷却された処理ガスの温度調整に、ボルテックスチューブ３６によって加温された処理ガスが用いられているが、ヒータ等の加温装置によって、冷却された処理ガスの温度調整を行うことが可能である。

１０：大気圧プラズマ発生装置 ３６：ボルテックスチューブ（ガス冷却器） ６２：高温ガス流路（ガス加温器） ６６：電磁式リニア弁（ガス加温器） ７０：反応室 ７２：電極（プラズマ発生器） ７８：吹出口 ８０：制御装置 ９０：温度センサ（測定器）

Claims (3)

1. 処理ガスを冷却するガス冷却器と、
   前記ガス冷却器によって冷却された処理ガスを加温するガス加温器と、
   前記ガス加温器によって加温された処理ガスが吹き込まれる反応室と、
   前記反応室内に吹き込まれた処理ガスをプラズマ化するプラズマ発生器と、
   前記プラズマ発生器によって発生されたプラズマを前記反応室から吹き出すための吹出口と、
   前記吹出口から吹き出されるプラズマの温度を測定する測定器と、
   前記測定器によって測定されたプラズマの温度に基づいて、前記ガス加温器の作動を制御することで、前記反応室に吹き込まれる処理ガスの温度を調整する制御装置と
   を備えることを特徴とする大気圧プラズマ発生装置。
2. 前記ガス冷却器が、ボルテックスチューブであることを特徴とする請求項１に記載の大気圧プラズマ発生装置。
3. 前記ガス加温器が、
   前記ガス冷却器から排出される高温の処理ガスを利用して、前記ガス冷却器によって冷却された処理ガスを加温することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の大気圧プラズマ発生装置。

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