JP2017010659A - Plasma generator - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、プラズマ発生装置に関するものである。 The present invention relates to a plasma generator.
空気の清浄、除菌、殺菌、脱臭等に用いられるイオンやラジカル(以下、活性種ともいう)を生成するためのプラズマを発生させるプラズマ発生装置として、例えば特許文献1記載のものがある。特許文献1記載のプラズマ発生装置は、複数の貫通孔を有する2枚の電極を、該貫通孔同士の位置が一致するように平行に配置するとともに、一方の電極にポーラスな誘電体膜が露出して形成されている。 As a plasma generator for generating plasma for generating ions or radicals (hereinafter also referred to as active species) used for air purification, sterilization, sterilization, deodorization, and the like, there is one disclosed in Patent Document 1, for example. In the plasma generator disclosed in Patent Document 1, two electrodes having a plurality of through holes are arranged in parallel so that the positions of the through holes coincide with each other, and a porous dielectric film is exposed on one of the electrodes. Is formed.
ところで、特許文献1記載のプラズマ発生装置では、電極が対向する領域に滞留する空気がプラズマによってオゾン化してしまい、オゾンの発生量が増加するという課題があった。 By the way, in the plasma generator of patent document 1, the air which stagnates in the area | region which an electrode opposes ozonized with plasma, and there existed a subject that the generation amount of ozone increased.
そこで、オゾンの発生量を抑えたプラズマ発生装置として、例えば特許文献2記載のものがある。特許文献2記載のプラズマ発生装置では、電極が対向する領域に低誘電体層を配置して空気を滞留できないように構成している。 Therefore, for example, there is a device described in Patent Document 2 as a plasma generator that suppresses the amount of ozone generated. In the plasma generator described in Patent Document 2, a low dielectric layer is disposed in a region where the electrodes face each other so that air cannot stay.
しかしながら、特許文献2記載のプラズマ発生装置では、電極間に低誘電体層を配置したため、プラズマを発生させるための放電電圧が高くなり、対向する電極間で火花放電等の異常放電が発生しやすく、安定的な放電が得られないという問題が生じている。 However, in the plasma generator described in Patent Document 2, since the low dielectric layer is disposed between the electrodes, the discharge voltage for generating plasma increases, and abnormal discharge such as spark discharge is likely to occur between the opposing electrodes. There is a problem that stable discharge cannot be obtained.
本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであり、オゾン発生を抑制することができるとともに、安定的な放電が得られるプラズマ発生装置を提供することをその主たる課題とするものである。 The present invention has been made in view of the above problems, and its main object is to provide a plasma generator capable of suppressing ozone generation and obtaining stable discharge.
本発明のプラズマ発生装置は、低誘電体層と、前記低誘電体層を挟むように設けられた第1電極及び第2電極と、前記第1電極及び前記低誘電体層の間に設けられた第1高誘電体層と、前記第2電極及び前記低誘電体層の間に設けられた第2高誘電体層とを備え、前記第1高誘電体層及び前記第2高誘電体層の間にプラズマを発生させるプラズマ発生装置であって、前記第1高誘電体層及び前記第2高誘電体層が、一方向に延びる側面を有し、その側面であって前記低誘電体層の近傍に電界集中部が形成されていることを特徴とする。 The plasma generator of the present invention is provided between a low dielectric layer, a first electrode and a second electrode provided so as to sandwich the low dielectric layer, and the first electrode and the low dielectric layer. A first high dielectric layer and a second high dielectric layer provided between the second electrode and the low dielectric layer, the first high dielectric layer and the second high dielectric layer. A plasma generating apparatus for generating plasma between the first high dielectric layer and the second high dielectric layer having side surfaces extending in one direction, the side surfaces of the low dielectric layer. An electric field concentration portion is formed in the vicinity of.
このように構成することで、低誘電体層を挟んで設けられた第1高誘電体層及び第2高誘電体層の間にプラズマを発生させる構成としているので、流通する空気と接触する部分にのみプラズマを発生させることができ、オゾンの発生を抑制することができる。また、不必要な部分にプラズマを生じさせないので、電力効率を向上させることができる。加えて、電界集中部を設けて放電を起こり易くすることで、電界集中部がない場合と比べて放電電圧を下げることができ、火花放電等の異常放電が生じることを防ぐことができる。 With this configuration, plasma is generated between the first high dielectric layer and the second high dielectric layer provided with the low dielectric layer interposed therebetween, so that the portion that comes into contact with the circulating air It is possible to generate plasma only in this case and to suppress generation of ozone. In addition, since plasma is not generated in unnecessary portions, power efficiency can be improved. In addition, by providing the electric field concentration portion to facilitate discharge, the discharge voltage can be lowered compared to the case where there is no electric field concentration portion, and abnormal discharge such as spark discharge can be prevented.
前記電界集中部には、微小な凹凸が設けられていることが好ましく、この微小な凹凸により電界が集中するため放電をさらに起こり易くすることができる。この微小な凹凸の凸の高さは1μm以上100μm以下となるように構成される。また、微小な凹凸は、第1高誘電体層及び第2高誘電体層の表面を粗くすることにより構成されていてもよい。この場合、表面の粗さは、平均粗さ(Rm)が1μm以上100μm以下、平均間隔(Sm)が1μm以上100μm以下となるように構成される。 The electric field concentration portion is preferably provided with minute unevenness, and the electric field is concentrated by the minute unevenness, so that discharge can be further easily caused. The height of the projections of the minute irregularities is configured to be 1 μm or more and 100 μm or less. Further, the minute irregularities may be configured by roughening the surfaces of the first high dielectric layer and the second high dielectric layer. In this case, the surface roughness is configured such that the average roughness (Rm) is 1 μm or more and 100 μm or less, and the average interval (Sm) is 1 μm or more and 100 μm or less.
放電をより起こり易くする別の構成としては、前記電界集中部に前記第1高誘電体層及び前記第2高誘電体層とは比誘電率の異なる部分を設けているものを挙げることができる。 As another configuration for facilitating the discharge, the electric field concentration portion may include a portion having a relative dielectric constant different from that of the first high dielectric layer and the second high dielectric layer. .
前記低誘電体層が一方向に延びる側面を有し、前記第1高誘電体層及び第2高誘電体層の側面と、前記低誘電体層の側面に空気を流すための送風機構をさらに備えれば、電界集中領域で発生したプラズマを空気と接触させてイオン等の活性種を生成し、この活性種を送風機構から送られる風にのせて任意の空間へ放出することができる。 The low dielectric layer has a side surface extending in one direction, and further includes a side surface of the first high dielectric layer and the second high dielectric layer, and a blower mechanism for flowing air to the side surface of the low dielectric layer. If provided, active species such as ions can be generated by bringing the plasma generated in the electric field concentration region into contact with air, and the active species can be discharged to an arbitrary space on the wind sent from the blower mechanism.
本発明によれば、オゾン発生を抑制することができるとともに、安定的な放電を得ることができる。 According to the present invention, generation of ozone can be suppressed and stable discharge can be obtained.
以下に本発明に係るプラズマ発生装置1の第1実施形態について説明する。 A plasma generator 1 according to a first embodiment of the present invention will be described below.
第1実施形態におけるプラズマ発生装置1は、図1に示すように、低誘電体層4と、低誘電体層4を挟むように設けられた第1電極2a及び第2電極2bと、第1電極2a及び低誘電体層4の間に設けられた第1高誘電体層3aと、第2電極2b及び低誘電体層4の間に設けられた第2高誘電体層3bと、第1高誘電体層3a及び第2高誘電体層3bの側面と低誘電体層4の側面に空気を流すための図示しない送風機構とを備える。 As shown in FIG. 1, the plasma generator 1 in the first embodiment includes a low dielectric layer 4, a first electrode 2 a and a second electrode 2 b provided so as to sandwich the low dielectric layer 4, A first high dielectric layer 3a provided between the electrode 2a and the low dielectric layer 4; a second high dielectric layer 3b provided between the second electrode 2b and the low dielectric layer 4; A blower mechanism (not shown) for flowing air to the side surfaces of the high dielectric layer 3 a and the second high dielectric layer 3 b and the side surfaces of the low dielectric layer 4 is provided.
低誘電体層4は、一方向に延びる側面を有する平板形状をなすものであって、比誘電率が、30以下、好ましくは10以下である材料から構成されるとともに、その厚みが10μm以上100μm以下となるように構成されている。 The low dielectric layer 4 has a flat plate shape having side surfaces extending in one direction, and is made of a material having a relative dielectric constant of 30 or less, preferably 10 or less, and a thickness of 10 μm or more and 100 μm. It is comprised so that it may become the following.
第1電極2a及び第2電極2bは平板状をなすものであって、その幅は、第1高誘電体層3a及び第2高誘電体層3bの幅よりも小さくなるように構成されている。また、第1電極2a及び第2電極2bの側面と高誘電体層3a及び第2高誘電体層3bの側面との距離は、25μm以上100μm以下となるように構成されている。 The first electrode 2a and the second electrode 2b have a flat plate shape, and the width thereof is configured to be smaller than the width of the first high dielectric layer 3a and the second high dielectric layer 3b. . The distance between the side surfaces of the first electrode 2a and the second electrode 2b and the side surfaces of the high dielectric layer 3a and the second high dielectric layer 3b is configured to be 25 μm or more and 100 μm or less.
第1高誘電体層3a及び第2高誘電体層3bは、一方向に延びる側面を有する平板形状をなすものであって、比誘電率が100以上、好ましくは1000以上である材料から構成される。そして、その側面であって低誘電体層4の近傍に電界集中部5が形成されている。 The first high dielectric layer 3a and the second high dielectric layer 3b have a flat plate shape having side surfaces extending in one direction, and are made of a material having a relative dielectric constant of 100 or more, preferably 1000 or more. The An electric field concentration portion 5 is formed in the vicinity of the low dielectric layer 4 on the side surface.
電界集中部5は、第1高誘電体層3a及び第2高誘電体層3bと一体的に設けられているものであって、その断面視形状において低誘電体層4の側面よりも突出するように構成されている。本実施形態では、断面視半円形状をなすとともにその表面に微小な凹凸が設けられているものである。この微小な凹凸の第1高誘電体層3a又は第2高誘電体層3bの表面から凸の先端面までの高さは1μm以上100μm以下となるように構成される。 The electric field concentration portion 5 is provided integrally with the first high dielectric layer 3a and the second high dielectric layer 3b, and protrudes from the side surface of the low dielectric layer 4 in the sectional view. It is configured as follows. In the present embodiment, a semicircular shape in cross section is formed, and minute irregularities are provided on the surface. The height from the surface of the minute uneven first high dielectric layer 3a or second high dielectric layer 3b to the convex tip surface is configured to be 1 μm or more and 100 μm or less.
また、微小な凹凸は、第1高誘電体層3a又は第2高誘電体層3bの表面を粗くすることにより構成されていてもよい。この場合、表面の粗さは、平均粗さ(Rm)が1μm以上100μm以下、平均間隔(Sm)が1μm以上100μm以下となるように構成される。 Further, the minute unevenness may be configured by roughening the surface of the first high dielectric layer 3a or the second high dielectric layer 3b. In this case, the surface roughness is configured such that the average roughness (Rm) is 1 μm or more and 100 μm or less, and the average interval (Sm) is 1 μm or more and 100 μm or less.
そして、第1電極2a及び第2電極2bに電圧を印加すると、電界集中部5により電界が集中し、この部分をきっかけにして放電が発生する。すると、この放電によって第1高誘電体層3a及び第2高誘電体層3bの間にプラズマが発生し、このプラズマと空気とが反応することによって、イオンやラジカル(以下、活性種ともいう)が発生する。そして、送風機構によって、発生した活性種が任意の空間に放出される。 When a voltage is applied to the first electrode 2a and the second electrode 2b, the electric field is concentrated by the electric field concentrating portion 5, and discharge is generated by using this portion as a trigger. Then, plasma is generated between the first high dielectric layer 3a and the second high dielectric layer 3b by this discharge, and this plasma and air react to generate ions and radicals (hereinafter also referred to as active species). Will occur. Then, the generated active species are released into an arbitrary space by the blower mechanism.
ここで、第1電極2a及び第2電極2bに印加される電圧は、第1高誘電体層3a及び第2高誘電体層3bの比誘電率と厚み、及び、低誘電体層4の比誘電率と厚みによって決定されるものである。この相関関係について以下に記載する。 Here, the voltages applied to the first electrode 2a and the second electrode 2b are the relative dielectric constant and thickness of the first high dielectric layer 3a and the second high dielectric layer 3b, and the ratio of the low dielectric layer 4 to each other. It is determined by the dielectric constant and thickness. This correlation is described below.
第1電極2a及び第2電極2bに印加される電圧Vと、低誘電体層4の表面に現れる電圧VεLは、第1高誘電体層3a及び第2高誘電体層3bの比誘電率εH及び高誘電体層の厚みdεH、低誘電体層4の比誘電率εL及び低誘電体層の厚みdεLを用いて以下の式で表される。
VεL={εH×dεL/(εHdεL+2εLdεH)}×V・・・(1)
The voltage V applied to the first electrode 2a and the second electrode 2b and the voltage V εL appearing on the surface of the low dielectric layer 4 are relative dielectric constants of the first high dielectric layer 3a and the second high dielectric layer 3b. epsilon H, and the high dielectric layer of thickness d .epsilon.h, using the thickness d .epsilon.L low dielectric layer 4 of dielectric constant epsilon L and a low dielectric layer is expressed by the following.
V εL = {ε H × d εL / (ε H d εL + 2ε L d εH)} × V ··· (1)
また、空気に対する放電ギャップdplasmaと放電開始電圧Vstartは、Pashenの法則から以下のように求めることができる。
Vstart=P0Adplasma/ln(P0Bdplasma/ln(1+(1/γ)))
・・・(2)
なお、A、Bは定数、P0は大気圧、γは二次電子放出係数を示す。
Further, the discharge gap d plasma and the discharge start voltage V start with respect to air can be obtained as follows from Pashen's law.
V start = P 0 Ad plasma / ln (P 0 Bd plasma / ln (1+ (1 / γ)))
... (2)
A and B are constants, P 0 is atmospheric pressure, and γ is a secondary electron emission coefficient.
VεL=Vstart、dεL=dplasmaとして、これを上記(1)、(2)式に再度代入すると、理想条件下で第1電極2a及び第2電極2bに放電を起こすために印加する必要のある電圧Vが、以下の式で表される。
V=(εHdεL+2εLdεH)P0A/εH(ln(P0Bdplasma/ln(1+(1/γ))))・・・(3)
When V εL = V start and d εL = d plasma are substituted into the above equations (1) and (2), they are applied to cause discharge to the first electrode 2a and the second electrode 2b under ideal conditions. The necessary voltage V is expressed by the following equation.
V = (ε H d εL + 2ε L d εH) P 0 A / ε H (ln (P 0 Bd plasma / ln (1+ (1 / γ)))) ··· (3)
上記(3)式に、dεH=230μm、εH=2000、εL=10として、電圧と低誘電体層4の厚みとの関係を図3に表されるグラフに示す。
実際の電極は理想条件とは異なるため、図3に示すグラフよりも高い電圧が必要となることを考慮すれば、第1電極2a及び第2電極2bに印加する電圧を1000Vとする場合、低誘電体層4の厚みは10μm〜100μmにすればよいことが分かる。また、安全性の観点から電極間に印加する電圧を700V以下にするほうが良いことを考慮すると、低誘電体層4の厚みは、10μm〜50μmの間に設定することが好ましいことが分かる。
In the above formula (3), d εH = 230 μm, ε H = 2000, ε L = 10, and the relationship between the voltage and the thickness of the low dielectric layer 4 is shown in the graph shown in FIG.
Since the actual electrode is different from the ideal condition, considering that a higher voltage than the graph shown in FIG. 3 is required, when the voltage applied to the first electrode 2a and the second electrode 2b is 1000 V, the voltage is low. It can be seen that the thickness of the dielectric layer 4 may be 10 μm to 100 μm. Also, considering that it is better to set the voltage applied between the electrodes to 700 V or less from the viewpoint of safety, it is understood that the thickness of the low dielectric layer 4 is preferably set between 10 μm and 50 μm.
このように、第1高誘電体層3a及び第2高誘電体層3bの比誘電率と厚み、及び、低誘電体層4の比誘電率と厚みを適宜設定することで、第1電極2a及び第2電極2bに印加される電圧を決定することができる。 In this way, the first electrode 2a can be set by appropriately setting the relative dielectric constant and thickness of the first high dielectric layer 3a and the second high dielectric layer 3b and the relative dielectric constant and thickness of the low dielectric layer 4. The voltage applied to the second electrode 2b can be determined.
上述したように構成した第1実施形態のプラズマ発生装置1では、低誘電体層4を挟んで設けられた第1高誘電体層3a及び第2高誘電体層3bの間にプラズマを発生させる構成としているので、流通する空気と接触する部分にのみプラズマを発生させることができ、オゾンの発生を抑制することができる。また、不必要な部分にプラズマを生じさせないので、電力効率を向上させることができる。 In the plasma generator 1 of the first embodiment configured as described above, plasma is generated between the first high dielectric layer 3a and the second high dielectric layer 3b provided with the low dielectric layer 4 interposed therebetween. Since it is set as the structure, plasma can be generated only in a portion in contact with the circulating air, and generation of ozone can be suppressed. In addition, since plasma is not generated in unnecessary portions, power efficiency can be improved.
加えて、電界集中部5を設けて放電を起こり易くすることで、電界集中部5がない場合と比べて放電電圧を下げることができ、火花放電等の異常放電が生じることを防ぐことができる。 In addition, by providing the electric field concentration portion 5 to easily cause discharge, the discharge voltage can be reduced compared to the case where there is no electric field concentration portion 5, and abnormal discharge such as spark discharge can be prevented. .
さらに、電界集中部5に微小な凹凸が設けられていることによって、この微小な凹凸により電界が集中するため放電をより起こり易くすることができる。 Furthermore, since the electric field concentration portion 5 is provided with minute irregularities, the electric field is concentrated by the minute irregularities, so that discharge can be more easily caused.
加えて、第1電極2a及び第2電極2bの幅は、第1高誘電体層3a及び第2高誘電体層3bの幅よりも小さくなるように構成されているので、積層された状態において、第1電極2a及び第2電極2bの側面は、第1高誘電体層3a及び第2高誘電体層3bの側面よりも内側に配置されている。そのため、第1電極2a及び第2電極2bの間で直接的に金属間放電が生じることを確実に防ぐことができる。 In addition, since the width of the first electrode 2a and the second electrode 2b is configured to be smaller than the width of the first high dielectric layer 3a and the second high dielectric layer 3b, The side surfaces of the first electrode 2a and the second electrode 2b are disposed inside the side surfaces of the first high dielectric layer 3a and the second high dielectric layer 3b. Therefore, it is possible to reliably prevent an intermetallic discharge from occurring directly between the first electrode 2a and the second electrode 2b.
次に、本発明に係るプラズマ発生装置1の第2実施形態について説明する。
なお、第1実施形態と同様の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
Next, a second embodiment of the plasma generator 1 according to the present invention will be described.
In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part similar to 1st Embodiment, and description is abbreviate | omitted.
本発明の第2実施形態に係るプラズマ発生装置1は、図2に示すように、電界集中部10に第1高誘電体層3a及び第2高誘電体層3bとは比誘電率の異なる部分を設けている点が、第1実施形態と異なる。 As shown in FIG. 2, the plasma generating apparatus 1 according to the second embodiment of the present invention has a portion having a relative dielectric constant different from that of the first high dielectric layer 3a and the second high dielectric layer 3b in the electric field concentration portion 10. Is different from the first embodiment.
この第1高誘電体層3a及び第2高誘電体層3bとは比誘電率の異なる部分は、電界集中部10に設けられた穴部に、第1高誘電体層3a及び第2高誘電体層3bよりも比誘電率が高い高誘電体材料が嵌め込まれることにより構成されたものである。このとき、高誘電体材料は、その一部が低誘電体層4の側面よりも突出するように嵌めこまれている。なお、本実施形態では、電界集中部10は断面視形状において矩形形状をなすものである。 A portion having a relative dielectric constant different from that of the first high dielectric layer 3a and the second high dielectric layer 3b is formed in a hole provided in the electric field concentration portion 10 in the first high dielectric layer 3a and the second high dielectric layer 3b. It is configured by fitting a high dielectric material having a relative dielectric constant higher than that of the body layer 3b. At this time, the high dielectric material is fitted so that a part thereof protrudes from the side surface of the low dielectric layer 4. In the present embodiment, the electric field concentration portion 10 has a rectangular shape in a sectional view.
上述したように構成した第2実施形態のプラズマ発生装置1においても、電界集中部に設けた比誘電率の異なる部分に電子が溜まりやすくなり放電が起こり易くなって、放電電圧を下げることができる。 Also in the plasma generator 1 of the second embodiment configured as described above, electrons are likely to accumulate in portions having different relative dielectric constants provided in the electric field concentration portion, and discharge is likely to occur, so that the discharge voltage can be lowered. .
なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではない。 The present invention is not limited to the above embodiment.
上記実施形態では、電界集中部は、断面視形状において低誘電体層の側面から突出するものであるが、低誘電体層と面一となるように構成されていてもよい。その場合、電界集中部は微小な凹凸が設けられているか、又は、第1高誘電体層及び第2高誘電体層とは比誘電率の異なる部分が用いられていればよい。 In the above embodiment, the electric field concentration portion protrudes from the side surface of the low dielectric layer in the sectional view shape, but may be configured to be flush with the low dielectric layer. In that case, the electric field concentration portion may be provided with minute irregularities, or a portion having a relative dielectric constant different from that of the first high dielectric layer and the second high dielectric layer may be used.
本発明は、その趣旨に逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。 The present invention can be variously modified without departing from the spirit of the present invention.
1・・・プラズマ発生装置
2a・・第1電極
2b・・第2電極
3a・・第1高誘電体層
3b・・第2高誘電体層
4・・・低誘電体層
5・・・電界集中部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Plasma generator 2a ... First electrode 2b ... Second electrode 3a ... First high dielectric layer 3b ... Second high dielectric layer 4 ... Low dielectric layer 5 ... Electric field Concentration part
Claims (11)
前記低誘電体層を挟むように設けられた第1電極及び第2電極と、
前記第1電極及び前記低誘電体層の間に設けられた第1高誘電体層と、
前記第2電極及び前記低誘電体層の間に設けられた第2高誘電体層とを備え、
前記第1高誘電体層及び前記第2高誘電体層の間にプラズマを発生させるプラズマ発生装置であって、
前記第1高誘電体層及び前記第2高誘電体層が、一方向に延びる側面を有し、その側面であって前記低誘電体層の近傍に電界集中部が形成されていることを特徴とするプラズマ発生装置。 A low dielectric layer;
A first electrode and a second electrode provided so as to sandwich the low dielectric layer;
A first high dielectric layer provided between the first electrode and the low dielectric layer;
A second high dielectric layer provided between the second electrode and the low dielectric layer;
A plasma generator for generating plasma between the first high dielectric layer and the second high dielectric layer,
The first high dielectric layer and the second high dielectric layer have side surfaces extending in one direction, and an electric field concentration portion is formed on the side surfaces in the vicinity of the low dielectric layer. A plasma generator.
前記第1高誘電体層及び第2高誘電体層の側面と、前記低誘電体層の側面に空気を流すための送風機構をさらに備える請求項1、2、3、4、5又は6記載のプラズマ発生装置。 The low dielectric layer has side surfaces extending in one direction;
The air blow mechanism for flowing air to the side surface of the said 1st high dielectric material layer and the 2nd high dielectric material layer, and the side surface of the said low dielectric material layer is further provided. Plasma generator.
The distance from the side surfaces of the first high dielectric layer and the second high dielectric layer to the side surfaces of the first electrode and the second electrode is 25 μm or more and 100 μm or less. The plasma generator according to 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10.
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