JP2015506054A - 非熱プラズマセル - Google Patents

Abstract

材料の連続壁から形成された絶縁材料（セラミックなど）の環状物（２）を含む非熱プラズマセルであって、前記連続壁が、複数の開口（１０）を有する環状物（２）と、前記絶縁体の前記壁の両側に取り付けられた１対の環状通気性電極と、必要に応じて、前記壁の前記周囲の少なくとも一部分上の各電極と壁との間に提供された空気ギャップとを有する非熱プラズマセル。絶縁材料の厚さは、金属箔を含むことがある電極の厚さより実質的に大きい。【選択図】図６

Description

本発明は、非熱プラズマセルに関し、好ましくは汚染空気を浄化するための非熱プラズマセルに関するがこれに限定されない。

非熱プラズマセルは、既知である。その最も単純な形態において、非熱セルは、アーキング（アーク発生）を防ぐのに十分な空間又は絶縁体によって分離されかつ強い電界を生成するのに十分な近さの２つの高電圧で高周波の電極を有する。絶縁体は、導電率がきわめて低いが、絶縁体内の空気は、強い電子衝撃を受ける。電界によって生成される電子と空気の成分分子の原子の外側リング電子との衝突がプラズマを作り出す。これは、この分野では「非熱的」と呼ばれ、その理由は、電子衝突によって生成されたエネルギーが、典型的には約７００度ケルビン以上と高いが、電子の質量が低いからである。したがって、はるかに重い陽子のイオン化がほとんどなく、またプラズマ内の全体温度が、典型的には摂氏１０〜８０の範囲と低いままである。

非熱プラズマセルフィルタの一部として使用する非熱プラズマセルを設計するとき、重要なことは、セル内の空気の滞留時間である。空気がプラズマ内を通過するのが早すぎると、汚染物質粒子の破壊が少なく、したがって空気の除染が不十分になる。しかしながら、プラズマセル内の空気の滞留時間が長くなると、必然的に、背圧が大きくなり、したがって、プラズマセル内を通る空気流を維持するために必要なエネルギーが多くなる。背圧が大きくなるほど、空気をフィルタに強制的に通しプラズマを維持するために必要なエネルギーが対数的に増える。

一般に、プラズマセルは、絶縁体が間に挟まれた平坦で真っ直ぐな電極板を有する平坦又は矩形構造のものであり、例えば、本出願人の以前の特許文献１を参照されたい。本出願人の特許文献２に記載されたような他の管状プラズマセルも検討された。しかしながら、これらのタイプのプラズマセルは、幾つかの理由のため、特に高いプラズマセル製造コスト、変動しやすいセル効率、印加電力の周波数が人間と動物の可聴範囲内にある結果生じる雑音のために、空気除染装置では問題があることが分かった。

英国２４１５７７４号公報 ＰＣＴ出願第２００８／０７４９６９号

本発明は、前述の欠点を克服するか又は少なくとも軽減することを目的とする、詳細には汚染空気を浄化するためであるがそれに限定されない非熱プラズマセルを提供することである。

したがって、本発明の第１の態様は、
絶縁材料の連続壁から構成された絶縁材料の環状物であって、前記連続壁が複数の開口を有する環状物と、
絶縁体の壁の両側に取り付けられた１対の環状通気性電極とを有する、非熱プラズマセルを提供する。

絶縁材料の厚さは、実質的に電極より大きいことが好ましい。電極の実際の厚さは、材料の抵抗と適用される電流とに依存するが、各電極の厚さは、絶縁材料の厚さの１０分の１の最大値であることが好ましい。実際には、ステンレス鋼電極を使用する場合、３０：１の絶縁体：電極の比率が有効であることが分かった。開口の直径は、特定用途に適切になるように変更され、絶縁体寸法を考慮して最適化されてもよい。一般に、開口は、直径２．５〜３．５ｍｍになる。例えば、３ｍｍの絶縁体は、直径３ｍｍの開口を使用することが好ましい。直径は、様々な気流と印加エネルギーに適しかつプラズマセルの特性を変更するために変更されてもよい。

開口は、環状物の周囲に対して垂直に延在することが好ましい。開口は、好ましくは、円筒状の穴を有するが、絶縁体の周囲に部分的に又は完全に延在する長手方向スロットなどの代替設計が使用されてもよい。各環状物に複数列の複数の開口が提供されることが好ましい。好ましい実施形態では、隣り合った列が、好ましくは２〜１０度、より好ましくは６度で互い違いにされる。これは、射出成形技術を使用して装置を製造するのに役立つ。

開口の数と寸法が、特定のプラズマセルのサイズ及び電力に依存することを理解されたい。

各電極と壁の間で壁の周知の少なくとも一部分に空気ギャップが提供されることが好ましい。

絶縁体と電極の間の空気ギャップは、好ましくは０．１〜２ｍｍ、より好ましくは０．２〜１ｍｍ、特に０．４〜０．６ｍｍである。

絶縁体は、必要な物理的及び電気的特性を有する任意の適切な材料でよい。絶縁体は、焼成セラミックや部分焼成セラミックなどのセラミックであることが好ましい。あるいは、絶縁体は、圧縮鉱物（ｐｒｅｓｓｅｄ ｍｉｎｅｒａｌ）を含み、例えば、アルミナ、二酸化チタン、ガラス繊維、粗いグラスウールを含むことがある。絶縁体は、また、アルミナと二酸化チタンが含浸された紙又はカード材料から形成されてもよい。

本発明の好ましい実施形態では、絶縁体は、射出成形によって形成される。

絶縁体の周囲全体又は周囲の一部分のまわりに１つ又は複数の長手方向の溝又は凹部が提供されてもよい。溝は、セル内の空気流の滞留時間を長くし、それにより空気流の乱れを大きくする働きをする。しかしながら、その結果、背圧に悪影響が生じる。これは、汚染物質分子が除去される特殊用途の特定設計に許容可能であると考えられる。

電極は、金属メッシュや金属プロファイルシートなどの空気透過性の任意の導電材料から形成される。電極はそれぞれ、複数の開口を有する薄い材料シートを含むことが好ましい。各電極は、好ましくは酸エッチングによって形成された材料の箔シートを含むことが好ましい。

電極はそれぞれ、ステンレス鋼を含むことが好ましい。あるいは、ワイヤーメッシュが使用されてもよい。

本発明の一実施形態では、プラズマセルは、開放型、即ちリングの形である。あるいは、環状物の一端は、閉じられ、即ち、連続壁の１つの縁の間に延在する基部を有する円筒の形でよい。基部は、機械的機能を提供する。

電極は、絶縁体の内側壁と外側壁にぴったりと適合し、好ましくは電極と絶縁体の間の締り嵌めを形成し、その結果、追加の固定が不要になる。電気接点は、一方又は両方の電極の一体部分となることが好ましい。

本発明による複数のプラズマセルを組み合わせて、任意の必要寸法のプラズマ場を提供できることを理解されたい。また、そのようなプラズマセルのモジュール性により、複数セルユニットは、セルのうちの１つが故障した場外でも動作し続けることができる。

本発明の第２の態様によれば、複数の開口を有する連続壁を含む絶縁材料の環状物を形成し、環状通気性電極を前記壁の両側に取り付ける段階を含む非熱プラズマセルを製造する方法が提供される。

電極と絶縁体の間に空気ギャップが構築されることが好ましい。

絶縁体は、所望の数及びパターンの開口を有する必要な形状に射出成形され、電極は、その後壁の両側に取り付けられることが好ましい。

電極はそれぞれ、好ましくは複数の開口が貫通するシート材料の形であることが好ましい。より好ましくは、開口のパターンは、導電材料シートを酸エッチングすることによって形成される。

本発明の第２の態様の代替実施形態において、絶縁体は、二酸化チタンを有するアルミナなどの絶縁体が含浸された紙又はボール紙から構成される。シートに適切なパターンの開口が提供され、電極シートが絶縁体上に印刷された後で環状リングが形成される。

本発明の第１の態様による非熱プラズマセルは、特に、空気除染と関連して使用するのに適し、活動化されたプラズマセル内に汚染空気が通され、それにより、気流中の汚染物質を中和する遊離基が作成される。

この目的のため、本発明の第３の態様は、空気入口、空気出口、及び空気入口と空気出口の間の空気流路を有するハウジングを有する空気除染装置を提供し、ハウジングは、空気流路内に位置決めされた本発明の第１の態様による非熱プラズマセルを含む。

空気除染装置は、紫外線放射装置、オゾン触媒装置、及び炭化水素放出装置のうちの１つ又はそれぞれを含むことが好ましい。

紫外線放射装置が、非熱プラズマセルの環状物の中央領域内に位置決めされ、それにより、プラズマセルによってこの領域に生成されたプラズマ場が、紫外線放射装置用の個別電源を必要とせずに紫外線を放射させることが好ましい。

本発明をよりよく理解し、本発明を実施する方法をより明らかに示すために、添付図面を単なる例として参照する。

本発明の一実施形態による非熱プラズマセルの絶縁体の斜視図である。 本発明の別の実施形態による非熱プラズマセルの絶縁体の外部側面図である。 図２に示された絶縁体の上面図である。 図２に示された絶縁体のＹ−Ｙに沿った断面図である。 本発明の更に他の実施形態による非熱プラズマセルの絶縁体の斜視図である。 本発明の一実施形態による絶縁体と電極を含む非熱プラズマセルの斜視図である。 本発明の一実施形態によるプラズマセルを内蔵する空気除染装置の概略図である。 本発明の一実施形態によるプラズマセルを内蔵する空気除染装置の縦断面図である。 図８に示された装置の線Ａ−Ｂに沿った横断面図である。 図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）は本発明による非熱プラズマセル内の空気流とプラズマ生成を示す図である。

添付図面のうちの図１、図２から図４、及び図５は、本発明による非熱プラズマセルに組み込む様々なタイプの絶縁体を示す。絶縁体は、複数の円形孔１０が貫通する射出成型セラミックリング２からなる。図２から図４に示されたように、絶縁体の周囲には溝１６が間隔を置いて提供されることもある。

図６に示されたように、セラミックリングの内側面と外側面には、ステンレス鋼環状箔４，６が取り付けられ、箔は、箔に複数の孔を形成するように酸エッチングによって材料がエッチングされている。リングは、絶縁体が好ましくは厚さ約３ｍｍの任意の適切な直径でよい。開口は、約３ｍｍの直径を有し、箔は、セラミックリングの厚さの一部分である（好ましくは、リングの厚さの少なくとも１０分の１）。

箔の周囲は、箔が、中央セラミックリングのまわりに締り嵌めを形成することにより別個の固定手段が不要になるが、リングの表面から僅かに離されて０．２〜１ｍｍ、好ましくは０．５ｍｍの小さい空気ギャップを構成するようなものである。箔は、電源（図示せず）に取り付けるための接点で終端する。

非熱プラズマセルは、比較的安価な構成要素から作成され、大量に容易に製造され得る。また、電極に対する絶縁体の配置は、背圧を著しく高めることなく非熱プラズマセル内の空気の滞留時間を長くし、それによりプラズマセルの効率が高まる。

添付図面の図５は、本発明によるプラズマセルの絶縁体の代替実施形態を示す。この場合も、プラズマセルは、環状セラミック誘電体リング２を含むが、プラズマセルは、円形孔の代わりに、周囲に一連の縦方向のスロット１２を有する。この場合も、絶縁体の内側壁と外側壁を金属電極シート（図示せず）が包む。この実施形態は、電力入力を高めるために空気流を増やすことを可能にする。

本発明による環状プラズマセルは、寸法を無数に変更でき、その結果、無数の量のプラズマ電力が可能になる。単数列又は複数列の穿孔を有する環状セルを任意数の類似セルと組み合わせて、必要な寸法を提供できることを理解されたい。従来のプラズマセルは、１〜１０ｋＨｚの比較的狭い周波数範囲内でしか動作しないが、本発明の装置によって１ｋＨｚ〜５０ｋＨｚ又はそれ以上の広範囲の入力周波数を使用することができる。この範囲の電源部品は、本来商用オゾン生成用に意図されており、容易に入手可能である。また、これにより、人間と動物の可聴範囲内にない周波数を選択することができる。

周波数の素早い切り替えが可能なことがある。これは、ブルームライン（Ｂｌｕｍｌｅｉｎ）スイッチなどの任意の適切な独自開発のシステムを使用して達成されてもよい。ブルームラインスイッチは、同軸ケーブルのループと放電ギャップからなり、様々なサイズのループとギャップが、異なる切り換え周波数を提供する。そのような切り換が行われる比率は、毎秒数十万回もの高さでよい。

プラズマセルは、先行技術よりも少ない原料と多い再利用可能材料を使用することにより、多量に製造することが簡単かつ安価である。製造は、環状誘電体リングの射出成形と、その後の酸エッチングによって作成された電極の取り付けを必要とすることがある。本発明によるプラズマセルは、背圧をほとんど提供せず、装置を内蔵する機械のより効率的な動作を可能にする。

あるいは、絶縁体は、アルミナ及び二酸化チタンが含浸された補強紙又はカードから製造されてもよい。次に、含浸紙又はカードは、各接面に金属電極が印刷され、リングに構成される。

添付図面の図７から図９は、空気除染装置に組み込まれた本発明による非熱プラズマセルを示す。これは、本発明による非熱プラズマセルの好ましい用途であるが、その使用は、この用途に限定されない。空気除染装置は、流路１２を有するハウジング１５、流路１２への空気入口、及び流路１２からの空気出口を有する。ハウジングは、流路１２内に配置された空気流発生器２０（ファンなど）、本発明による非熱プラズマフィルタ２２、紫外線（ＵＶ）放射装置２４（図７では省略）、オゾン触媒装置２６、及び炭化水素放出装置２８（図７にのみ示した）を含む。

空気流発生器２０は、流路１２の空気入口と隣接して提供される。空気流発生器２０は、この実施形態では、ハウジング１５の隔室内に提供された電気幹線又はバッテリパック（図示せず）によって電力供給された電気ファンである。安全対策として、動作中に間違ってファン２０に触れるのを防ぐために、空気入口全体にグリルが提供されてもよい。

非熱プラズマフィルタ２２は、空気入口の下流にファン２０と隣り合って配置される。プラズマフィルタ２２は、図１から図６に示したように、シート電極４，６が各側に取り付けられた絶縁体の環状リング２を有する。プラズマセルは、ハウジング内で、空気が環状リングの壁内を通り、次にリング内の中心を通るように向けられる。電極は、ハウジング１５の隔室内に収容された電源ユニット（図示せず）によって電力供給される。必要に応じて、絶縁材料は、触媒材料で被覆されてもよい。

プラズマセルは、広範囲の周波数出力を提供し、それによりセルから出力されるオゾンを制御できるように、周囲電極を有する任意数の絶縁体リングから構成されてもよい。

紫外線放射装置２４は、非熱プラズマセル２２のリングの中央領域内に配置された紫外線放射管を含み、オゾン触媒装置２６は、紫外線放射管を取り囲む。オゾン触媒装置２６は、チタン、鉛、及び酸化マンガンの混合物などのオゾン触媒材料の被覆を含むメッシュを有する。

炭化水素放出装置２８は、ハウジング１５の隔室内に配置された再充填可能な炭化水素リザーバ、リザーバ内に保持された液化炭化水素を蒸発させるための蒸発器、及びガス状炭化水素を流路１２内に放出するポンプを含む。分かり易くするために、エミッタ２８の様々な部分が、図面から省略されている。リザーバは、液体芳香族炭化水素（例えば、テルペン、及びより具体的にはミルセンなどのオレフィン）を含む。炭化水素放出装置２８の出口は、ハウジング１５の流路１２の中心又はその近く、オゾン触媒装置の紫外線放射管２４及びメッシュ２６の下流にある。炭化水素放出装置２８の出口は、ハウジング１５の流路１２の出口の隣りにある。

揮発芳香族炭化水素を他の炭化水素放出装置２８の出口に供給するための他の適切な手段を使用することができる。

空気除染装置は、電気幹線だけから電力供給されてもよく、充電式バッテリパックだけから電力供給されもよく、両方の電源によって選択的に通電されてもよい。

空気除染装置は、持ち運び可能な装置の形で作成することができ、これは、実質的にスーツケースの寸法を取ることができる。あるいは、空気除染装置は、取り付け後に一箇所に留まるように意図された大型装置として作成されてもよい。後者の装置は、産業用又は商用施設及び建物に適しているが、これらに限定されない。

使用の際、空気除染装置は、浄化される場所に位置決めされる。装置は、建物、小室、筐体、ダクト、パイプ、チャネル、又は他の密閉されるか実質的に密閉された領域内の空気を浄化するように意図される。しかしながら、十分な通過流能力によって、開放された外部環境で空気を浄化することができる。この点で、装置内を通った空気は、ハウジングから出た後で引き続き周囲空気を除染することができる。

装置は、通電され、ファン２０は、ハウジング１５の流路１２に沿った周囲空気の流れを生成する。空気流は、最初に、非熱プラズマフィルタ２２を通る。フィルタは、非熱プラズマの特性を利用して、絶縁体コア内の空気の成分を「プラズマ化」する。一般的に、空気を構成する元素（主に、酸素と窒素）の原子構造における外側リング電子は、非熱プラズマによって生成された強電界（典型的には４０ｋＶ及び４５ｋＨｚ以内）によって「励起」される。

添付図面の図１０（Ａ）と図１０（Ｂ）は、装置１５内の空気流及びプラズマ生成を示す。ファン２０からの圧力によって、プラズマセル２２の外側に高圧が生じ、空気が、電極の表面を横切り、次に絶縁体と内側電極の空隙内を流れる。空気流が電流と反対の先行技術の装置と異なり、空気は、電流と同じ向きに流れる。電極と絶縁体のすぐ近くに一次（１^ｙ）プラズマが作成され（図１０（Ｂ）に点線によって示された）、環状リングの中心に二次（２^ｙ）プラズマが誘導される。供給される電流が多いほど一次及び二次プラズマが強くなる。

プラズマ領域内の励起電子は、衝突によってエネルギーを放出する。しかしながら、電子の質量がほとんどなく、したがってイオン化が行われないので、熱はほとんど放射されない。放出されるエネルギーは、Ｏ⁻やＯＨ⁻などの空気流内の生成遊離基に十分である。遊離基（フリーラジカル）は、強力な酸化剤であり、炭化水素、有機ガス、及び典型的には２．５ピコメートル以下の粒子（細菌、ウィルス、胞子、酵母菌、芳香など）を酸化させる。一般に、最も不活性な元素又は化合物だけが酸化に耐える。

蒸気圧がゼロのため酸化反応の結果の多くが一時的で表面的な作用なので、非熱プラズマの絶縁材料の一部又は全てに分子厚の触媒被覆を提供することによって、非熱プラズマ内の特定の分子の酸化又は化合物（例えば、神経ガス剤）の酸化を対象とすることができる。

非熱プラズマフィルタ２２は、副生成物の１つとしてオゾンを作成する。オゾンは、非熱プラズマフィルタ２２から出る空気流内で一緒に運ばれる。オゾンの半減期は、雰囲気条件に依存し、オゾン自体は強力な酸化剤であり、通常の状況下では、プラズマコアから出てからかなり後まで空気中で反応し続ける。これは、人々のほぼ近くで操作される装置には受容できない。

したがって、非熱プラズマフィルタ２２を通る空気流は、紫外線放射管２４まで、オゾン触媒装置のメッシュ２６内を通る。紫外線放射管によって２５３．４ナノメートルの波長で放射される紫外光は、プラズマフィルタ２２から出る空気流内に一緒に運ばれるオゾンを破壊する働きをする。メッシュ２６上の被覆は、この破壊を引き起こす働きをする。環状リングの内側部分又は中心領域で作成された二次プラズマ場２^ｙを使用して、水銀蒸気管内に提供された水銀を励起して紫外線を放射し、更に空気を除染することができる。したがって、紫外線放射装置用の別個の電源が不要であり、空気除染装置のコストが大幅に削減される。

オゾンのこの破壊（光酸化）は、遊離基レベルと、特に空気流内のヒドロキシルラジカルＯＨ⁻のレベルを高める。また、そのような遊離基は、空気流中に残る汚染物質を活発に酸化させる。

試験から、プラズマフィルタリング後の空気流内に残っている遊離基が、光酸化プロセスにおいて遊離基の生成率を大幅に高めることが分かった。したがって、装置は、カスケード効果を提供し、それにより、出口から出る空気が、装置の外側の空気を浄化し続ける。

Claims (18)

1. 非熱プラズマセルであって、
   材料の連続壁から構成された絶縁材料の環状物であって、前記連続壁が複数の開口を有する環状物と、
   前記絶縁体の前記壁の両側に取り付けられた１対の環状通気性電極とを有する非熱プラズマセル。
2. 前記壁の前記周囲の少なくとも一部分上の各電極と前記壁との間に空気ギャップが提供された、請求項１に記載の非熱プラズマセル。
3. 前記絶縁材料の厚さが、前記電極の厚さより実質的に大きい、請求項１又は請求項２に記載の非熱プラズマセル。
4. 複数列の前記複数の開口が、各環状物上に提供され、前記列が、隣りの列に対して互い違いにされた、請求項１〜３の何れか一項に記載の非熱プラズマセル。
5. 前記絶縁体が、セラミック、アルミナと二酸化チタンを含む圧縮鉱物、及び粗グラスウールから成る群から選択された材料である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の非熱プラズマセル。
6. 前記絶縁体が、アルミナと二酸化チタンが含浸された紙又はカードの材料から形成された、請求項１〜４のいずれか一項に記載の非熱プラズマセル。
7. 各電極が、複数の開口を有する材料の薄いシートを含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の非熱プラズマセル。
8. 各電極が、酸エッチングによって形成された材料の箔シートを含む、請求項７に記載の非熱プラズマセル。
9. 各電極が、それぞれ前記絶縁材料の内側壁と外側壁と締り嵌めを構成する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の非熱プラズマセル。
10. 電気接点が、一方又は両方の電極の一体部分を構成する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の非熱プラズマセル。
11. 各電極と前記絶縁体との間の前記空気ギャップが、０．１〜２．０ｍｍである、請求項２〜１０のいずれか一項に記載の非熱プラズマセル。
12. 複数の開口を有する連続壁を含む絶縁材料の環状リングを形成し、環状通気性電極を前記壁の両側に取り付ける段階を含む、非熱プラズマセルを製造する方法。
13. 前記電極と前記絶縁体との間に空気ギャップを更に有する、請求項１２に記載の方法。
14. 前記絶縁体を所望の数及びパターンの開口を有する必要形状に射出成形し、次に前記電極を前記壁の各側に取り付ける段階を更に含む、請求項１２又は１３に記載の方法。
15. ボール紙の紙のシートに絶縁材料を含浸させることによって前記絶縁体を形成する段階と、前記シートに適切なパターンの開口を提供する段階と、前記電極を前記絶縁体の前記壁の両面に印刷した後で環状リングを形成する段階とを更に含む、請求項１２又は１３に記載の方法。
16. 空気入口、空気出口、及び前記空気入口と前記空気出口の間の空気流路を有するハウジングを含み、前記ハウジングが、前記空気流路内に位置決めされた請求項１〜１１のいずれか一項に記載の非熱プラズマセルを有する空気除染装置。
17. 紫外線放射装置、オゾン触媒装置、及び炭化水素放出装置の少なくとも１つを更に含む、請求項１６に記載の空気除染装置。
18. 前記紫外線放射装置が、前記非熱プラズマセルの前記環状物内に位置決めされ、前記プラズマセルによってこの領域内に生成されたプラズマ場が、前記紫外線放射装置用の別個電源の必要なしに前記放射線を放射させる、請求項１７に記載の空気除染装置。

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