JP2019003796A - プラズマリアクタ - Google Patents

Abstract

【課題】隣接する電気導通部間の絶縁や、電気導通部とケースとの間の絶縁を確保することにより、信頼性を向上させることが可能なプラズマリアクタを提供すること。【解決手段】本発明のプラズマリアクタはプラズマパネル積層体２０を備える。プラズマパネル積層体２０は、電極パネル３０を積層した構造を有し、隣接する電極パネル３０間に電圧を印加することによりプラズマを発生させる。電極パネル３０は端部４１，５１を有し、端部４１，５１には放電電極３４が露出する。複数の放電電極３４は、電気導通部８１，８２によって電気的に接続される。また、電極パネル３０は、スペーサ４２，５２を介して隣接する電極パネル３０に対して積層される。そして、隣接する電極パネル３０間に生じた空間には、絶縁部６１，７１がスペーサ４２，５２に接するように配置される。【選択図】図７

Description

本発明は、プラズマリアクタに関するものであり、特には、内燃機関（エンジン）の排ガスを浄化するための装置に好適なプラズマリアクタに関するものである。

従来、エンジンや焼却炉の排ガスをプラズマ場に通すことにより、排ガス中に含まれているＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）及びＰＭ（Particulate Matter：粒子状物質）などの有害物質を処理するプラズマリアクタが提案されている。

例えば、放電電極が形成された電極パネルをスペーサを介して積層し、隣接する電極パネル間に電圧を印加して誘電体バリア放電による低温プラズマ（非平衡プラズマ）を発生させることにより、電極パネル間を流れる排ガス中のＰＭを酸化して除去するプラズマリアクタが種々提案されている（例えば、特許文献１〜４参照）。なお、各電極パネルの放電電極は、電気導通部を介して互いに電気的に接続されている。具体的に言うと、特許文献１では、誘電体に設けた結合ホールに導電性物質を注入してリードライン部材を形成することにより、複数の放電電極がリードライン部材（電気導通部）を介して互いに電気的に接続されている。また、特許文献２では、複数の放電電極が、電極パネルの外部にある配線（電気導通部）を介して互いに電気的に接続されている。特許文献３では、複数の放電電極の端面に対して、ばね性を有する金属部材を溶接によって接合することにより、各放電電極が金属部材（電気導通部）を介して互いに電気的に接続されている。特許文献４では、電極パネル及びスペーサからなる積層体の外表面に対して、外部端子となるメタライズペーストを塗布することにより、積層体の外表面に露出する複数の放電電極が、外部端子（電気導通部）を介して互いに電気的に接続されている。

特許第３８３２６５４号公報（図１等） 特開２０１１−１２５５９号公報（図３等） 特許第４４９４７５０号公報（図１等） 特許第４６８８８５０号公報（図１５等）

ところで、プラズマリアクタを車両等に搭載して使用する際には、プラズマリアクタのガス流路内に煤（ＰＭ）を含んだ排ガスが流入する。なお、排ガスには、水（具体的には、車両の冷間始動時において排気管内の結露に起因して発生する排気凝縮水）が含まれることもある。

ところが、電極パネルは、セラミックグリーンシートの焼成等を経て形成されるものであるため、反りが生じやすい。よって、複数の電極パネルをスペーサを介して積層したとしても、電極パネルとスペーサとの間に隙間が生じる可能性が高い。その結果、ガス流路内の排ガスが、上記の隙間に侵入して電気導通部に接触するため、電気導通部に対して排ガス中のＰＭや水が付着する虞がある。なお、特許文献２〜４に記載の従来技術では、電気導通部が電極パネルの外部に露出しているため、排ガスが上記の隙間に侵入しない場合であっても、排ガスが電気導通部に接触する可能性がある。この場合、電気導通部に対してＰＭや水がいっそう付着しやすくなる。

そして、電気導通部にＰＭや水が付着すると、隣接する電気導通部の間がＰＭや水を介して導通してしまうため、隣接する電気導通部間の絶縁を確保できないという問題がある。また、複数の電極パネルを積層した構造を有する積層体をケース内に収容し、積層体を収容したケースを排気管に取り付ける場合には、電気導通部とケースとの間がＰＭや水を介して導通してしまうため、電気導通部とケースとの間の絶縁を確保できないという問題がある。よって、これらの場合には、リーク電流が発生するため、投入電力に対するプラズマの発生量が少なくなり、排ガスの浄化効率が低くなる可能性がある。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、隣接する電気導通部間の絶縁や、電気導通部とケースとの間の絶縁を確保することにより、信頼性を向上させることが可能なプラズマリアクタを提供することにある。

上記課題を解決するための手段（手段１）としては、放電電極を内蔵してなる複数の電極パネルを積層した構造を有し、隣接する前記電極パネル間に形成されたガス流路にガスを流して電圧を印加することによりプラズマを発生させるプラズマパネル積層体を備えるプラズマリアクタであって、前記複数の電極パネルは、面方向において前記ガス流路を挟んで互いに反対側に位置する一対の端部を有し、前記端部に前記放電電極が露出しており、複数の前記放電電極を電気的に接続する電気導通部を備え、前記電極パネルは、前記一対の端部にそれぞれ設けられたスペーサを介して、隣接する前記電極パネルに対して積層され、前記スペーサを介することによって隣接する前記電極パネル間に生じた空間に、絶縁部が前記スペーサに接するように配置されていることを特徴とするプラズマリアクタがある。

従って、上記手段１に記載の発明では、隣接する電極パネル間に生じた空間内において、絶縁部がスペーサに接するように配置されるため、電極パネルとスペーサとの間に生じる隙間へのガスの侵入を、絶縁部によって遮断することができる。従って、ガス流路内に流入したガスが、隙間を通過して電気導通部に到達することが防止されるため、ガス流路を流れる排ガス中のＰＭをプラズマを用いて酸化して除去する場合に、電気導通部への排ガス中のＰＭや水の付着が防止されるようになる。その結果、ＰＭや水を介した隣接する電気導通部間の導通や、同じくＰＭや水を介した電気導通部−プラズマパネル積層体が収容されるケース間の導通が防止されるため、隣接する電気導通部間の絶縁や、電気導通部とケースとの間の絶縁を確保することができる。ゆえに、プラズマリアクタの信頼性を向上させることができる。

上記プラズマリアクタを構成するプラズマパネル積層体は、放電電極を内蔵してなる複数の電極パネルを積層した構造を有する。放電電極の形成材料としては、例えば、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ_２）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）などを挙げることができる。

また、上記プラズマリアクタは、複数の放電電極を電気的に接続する電気導通部を備える。なお、電気導通部は、導電性金属ペーストの硬化物からなり、電極パネルの端部を覆うように形成されていることが好ましい。このようにした場合、電気導通部は、電極パネルの端部に密着するようになる。その結果、電気導通部を、端部に露出する放電電極に対して確実に接触させることができる。従って、複数の電極パネルの放電電極を、電気導通部を介して確実に導通させることができる。

ここで、電気導通部の形成材料は、ニッケル、銅及び銀の少なくとも１つを含むことが好ましい。このようにすれば、電気導通部の導電性を向上させることができる。また、電気導通部の形成材料は、熱膨張係数が５〜７ｐｐｍ／℃のホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ_２）、及び、熱膨張係数が３〜５ｐｐｍ／℃のタングステンカーバイド（ＷＣ）の少なくとも１つを含んでいてもよい。このようにすれば、電気導通部の熱膨張係数を電極パネルの熱膨張係数と同程度に近付けることができる。その結果、電気導通部と電極パネルとの熱膨張差に起因して生じる応力が小さくなるため、電極パネルでの割れ等の発生を抑制することができる。

なお、電極パネルが、面方向においてガス流路を挟んで互いに反対側に位置する一対の端面を有し、放電電極が、放電電極本体から外周側に延出する電気取出部を有する場合、電気取出部の先端面は端面に露出していることが好ましい。このようにすれば、電気導通部を電極パネルの端面に密着させることにより、電気導通部と電気取出部（放電電極）とを確実に接触させることができる。従って、複数の電極パネルの放電電極を、電気導通部を介して確実に導通させることができる。

しかも、電極パネルは、第１主面及び第２主面を有し、電気取出部の一部が、端部における第１主面上及び端部における第２主面上に形成されていてもよい。このようにした場合、電気取出部と電気導通部との接触面積が大きくなるため、両者をより確実に接触させることができる。ゆえに、プラズマリアクタの信頼性がよりいっそう向上する。

なお、電気導通部には導体金属部材が内蔵されていてもよい。なお、電気導通部の形成材料よりも抵抗値が低い材料を用いて導体金属部材を形成すれば、体積抵抗率を低減することができるため、電力損失を抑制した、信頼性の高い導通を確保することができる。ここで、導体金属部材の形成材料としては、例えば、ステンレス（ＳＵＳ３０４）や、コバール（ウェスティングハウス社の登録商標）などを挙げることができる。

また、電極パネルは、一対の端部にそれぞれ設けられたスペーサを介して、隣接する電極パネルに対して積層される。さらに、スペーサを介することによって隣接する電極パネル間に生じた空間には、絶縁部がスペーサに接するように配置される。ここで、電極パネルは、面方向においてガス流路を挟んで互いに反対側に位置する一対の端面を有し、絶縁部は、スペーサよりも端面寄りに配置されていることが好ましい。このようにすれば、電極パネルとスペーサとの間に生じる隙間を通過したガスを、絶縁部によって確実に遮断することができる。さらに、スペーサは、電極パネルの端面側にて開口する凹部を有し、絶縁部は凹部内に配置されていることが好ましい。このようにした場合、絶縁部は、凹部の内側面に密着するようになる。その結果、絶縁部とスペーサとの接触面積が大きくなるため、電極パネルとスペーサとの間に生じる隙間へのガスの侵入を、絶縁部によって確実に遮断することができる。また、スペーサの設置領域内に絶縁部が配置されるため、プラズマパネル積層体が絶縁部の設置領域分だけ大型化することを防止できる。

なお、絶縁部の形成材料は、無機粉末、無機繊維及び無機バインダーを含むことが好ましい。このようにすれば、絶縁部の熱膨張係数を電極パネルの熱膨張係数と同程度に近付けることができる。その結果、絶縁部と電極パネルとの熱膨張差に起因して生じる応力が小さくなるため、電極パネルでの割れ等の発生を抑制することができる。

なお、無機粉末としては、例えば、アルミナ、シリカ、ジルコニア及びムライトから選択される少なくとも１種以上のセラミック粒子を挙げることができる。無機繊維としては、アルミナ、シリカ及びムライトから選択される少なくとも１種以上のセラミックファイバーを挙げることができる。無機バインダーとしては、珪酸ナトリウム、珪酸リチウム、珪酸カリウムから選択される少なくとも１種以上の珪酸アルカリを挙げることができる。

本実施形態におけるプラズマリアクタを示す概略断面図。 プラズマリアクタを示す平面図。 プラズマリアクタを示す斜視図。 プラズマパネル積層体がケースに収容されている状態を示す斜視図。 プラズマパネル積層体及び電源供給端子を示す斜視図。 プラズマパネル積層体を示す概略断面図。 プラズマパネル積層体を示す要部断面図。 プラズマパネル積層体を示す要部断面図。 プラズマパネル積層体を示す分解斜視図。 他の実施形態において、プラズマパネル積層体を示す概略断面図。 他の実施形態において、プラズマパネル積層体を示す概略断面図。 他の実施形態において、プラズマパネル積層体を示す要部断面図。 他の実施形態において、電極パネルを示す斜視図。

以下、本発明のプラズマリアクタ１を具体化した一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１〜図４に示されるように、本実施形態のプラズマリアクタ１は、自動車のエンジン（図示略）の排ガスに含まれているＰＭを除去する装置であり、排気管２に取り付けられている。プラズマリアクタ１は、電源３、ケース１０及びプラズマパネル積層体２０を備えている。

ケース１０は、例えばステンレス鋼を用いて矩形筒状に形成されている。ケース１０の第１端部（図１では左端部）には第１コーン部１１が接続され、ケース１０の第２端部（図１では右端部）には第２コーン部１２が接続されている。さらに、第１コーン部１１は、排気管２の上流側部分４（エンジン側の部分）に接続され、第２コーン部１２は、排気管２の下流側部分５（エンジン側とは反対側の部分）に接続されている。なお、エンジンからの排ガスは、排気管２の上流側部分４から第１コーン部１１を介してケース１０内に流入し、ケース１０内を通過した後、第２コーン部１２を介して排気管２の下流側部分５に流出する。

図４に示されるように、プラズマパネル積層体２０は、ケース１０内に収容されており、ケース１０とプラズマパネル積層体２０との間にはマット８が介在されている。マット８は、プラズマパネル積層体２０をケース１０に固定する機能を有している。ここで、マット８を構成する材料としては、例えば、セラミック繊維、金属繊維、発泡金属等の絶縁材料を用いることができる。

図１，図４，図５に示されるように、プラズマパネル積層体２０は、排ガスが流入する上流側端面２１と、排ガスが流出する下流側端面２２と、４つのガス非通過面２３，２４，２５，２６とを有する略直方体状を成している。上流側端面２１及び下流側端面２２は、プラズマパネル積層体２０において互いに反対側に位置している。各ガス非通過面２３〜２６は、上流側端面２１と下流側端面２２との間に位置している。

また、プラズマパネル積層体２０は、複数の電極パネル３０を積層した構造を有している。各電極パネル３０は、上流側端面２１側から下流側端面２２側に流れる排ガスの通過方向Ｆ１（第１コーン部１１から第２コーン部１２に向かう方向）と平行に配置されており、互いに隙間（本実施形態では、０．５ｍｍの隙間）を有するように配置されている。詳述すると、プラズマパネル積層体２０は、隣接する電極パネル３０間に、排ガスが通過するガス流路２７（図１参照）を有している。そして、ガス流路２７は、上流側端面２１及び下流側端面２２において開口する開口部２８を備えている。

図１に示されるように、各電極パネル３０には、プラズマパネル積層体２０の厚さ方向に沿って第１の配線６及び第２の配線７が交互に電気的に接続されている。第１の配線６は、電源３の第１の端子に電気的に接続され、第２の配線７は、電源３の第２の端子に電気的に接続されている。

図１，図９に示されるように、本実施形態の電極パネル３０は、第１主面３１、第２主面３２、第１端面３７及び第２端面３８を有し、縦１００ｍｍ×横１２０ｍｍの略矩形板状を成している。第１主面３１及び第２主面３２は、電極パネル３０の厚さ方向において互いに反対側に位置している。また、第１端面３７及び第２端面３８は、面方向においてガス流路２７を挟んで互いに反対側に位置している。さらに、電極パネル３０は、矩形板状の誘電体３３に放電電極３４（厚さ１０μｍ）を内蔵してなる構造を有している。本実施形態において、誘電体３３はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のセラミックからなり、放電電極３４はタングステン（Ｗ）からなっている。また、誘電体３３の熱膨張係数は、２〜８ｐｐｍ／℃程度であり、誘電体３３がアルミナからなる本実施形態においては、７ｐｐｍ／℃となっている。なお、誘電体３３の熱膨張係数は、常温〜４００℃間の測定値の平均値をいう。なお、各放電電極３４は、平面視矩形状を成す放電電極本体３５と、放電電極本体３５から外周側に延出する電気取出部３６とを有している。また、最上層の電極パネル３０には、２層の放電電極３４が内蔵されている。

図６〜図９に示されるように、各電極パネル３０は、面方向においてガス流路２７を挟んで互いに反対側に位置する第１端部４１及び第２端部５１を有している。また、電極パネル３０は、第１端部４１に設けられた第１スペーサ４２と、第２端部５１に設けられた第２スペーサ５２とを介して、隣接する電極パネル３０に対して積層されている。なお、両スペーサ４２，５２は、電極パネル３０とは別体になっており、上記したガス流路２７に沿って延びている。そして、本実施形態のプラズマパネル積層体２０では、電極パネル３０の第２主面３２と下層側に隣接する電極パネル３０の第１主面３１との間、及び、第１スペーサ４２の内端面４３と第２スペーサ５２の内側面５３との間に、ガス流路２７が構成される。

そして、第１スペーサ４２は、隣接するスペーサ（ここでは第２スペーサ５２）に対向する内端面４３と、第１スペーサ４２の幅方向において内端面４３の反対側に位置する外端面４４とを有している。第１スペーサ４２は、外端面４４が電極パネル３０の第１端面３７と面一になるように配置されている。なお、本実施形態の第１スペーサ４２は、長さ１２０ｍｍ×幅１５ｍｍ×厚さ０．５ｍｍの帯板状を成している。一方、第２スペーサ５２も、隣接するスペーサ（ここでは第１スペーサ４２）に対向する内端面５３と、第２スペーサ５２の幅方向において内端面５３の反対側に位置する外端面５４とを有している。第２スペーサ５２は、外端面５４が電極パネル３０の第２端面３８と面一になるように配置されている。なお、本実施形態の第２スペーサ５２は、長さ１２０ｍｍ×幅１５ｍｍ×厚さ０．５ｍｍの帯板状を成している。

また、図６〜図９に示されるスペーサ４２，５２は、帯板状の誘電体４５，５５によって構成されている。本実施形態において、誘電体４５，５５はアルミナ等のセラミックからなっている。即ち、本実施形態のスペーサ４２，５２は、電極パネル３０と同じ材料を用いて形成されている。

また、各第１スペーサ４２は、第１端面３７側、具体的には外端面４４にて開口する平面視略矩形状の第１凹部４６を有している。第１凹部４６は、第１スペーサ４２の中央部において、同第１スペーサ４２の厚さ方向に貫通している。同様に、各第２スペーサ５２は、第２端面３８側、具体的には外端面５４にて開口する平面視略矩形状の第２凹部５６を有している。第２凹部５６は、第２スペーサ５２の中央部において、同第２スペーサ５２の厚さ方向に貫通している。

図６〜図８に示されるように、第１スペーサ４２を介することによって隣接する電極パネル３０間に生じた空間には、第１内側絶縁部６１が第１スペーサ４２に接するように配置されている。第１内側絶縁部６１は、第１スペーサ４２よりも電極パネル３０の第１端面３７寄りに配置されている。具体的に言うと、第１内側絶縁部６１は、第１スペーサ４２の第１凹部４６内に配置されている。第１内側絶縁部６１は、隣接する絶縁部（ここでは第２内側絶縁部７１）に対向する内側面６２と、第１内側絶縁部６１の幅方向において内側面６２の反対側に位置する外側面６３とを有している。内側面６２全体は、第１凹部４６の内側面に密着している。外側面６３は、第１凹部４６の開口部から露出しており、第１スペーサ４２の外端面４４よりも内端面４３寄りに位置している。

一方、第２スペーサ５２を介することによって隣接する電極パネル３０間に生じた空間には、第２内側絶縁部７１が第２スペーサ５２に接するように配置されている。第２内側絶縁部７１は、第２スペーサ５２よりも電極パネル３０の第２端面３８寄りに配置されている。具体的に言うと、第２内側絶縁部７１は、第２スペーサ５２の第２凹部５６内に配置されている。第２内側絶縁部７１は、隣接する絶縁部（ここでは第１内側絶縁部６１）に対向する内側面７２と、第２内側絶縁部７１の幅方向において内側面７２の反対側に位置する外側面７３とを有している。内側面７２全体は、第２凹部５６の内側面に密着している。外側面７３は、第２凹部５６の開口部から露出しており、第２スペーサ５２の外端面５４よりも内端面５３寄りに位置している。

なお、各内側絶縁部６１，７１の形成材料は、無機粉末、無機繊維及び無機バインダーを含んでいる。具体的に言うと、内側絶縁部６１，７１は、アルミナ粉末及びシリカ粉末を無機粉末として含有している。また、内側絶縁部６１，７１は、アルミナファイバーを無機繊維として含有している。さらに、内側絶縁部６１，７１は、珪酸ナトリウムを無機バインダーとして含有している。また、本実施形態において、内側絶縁部６１，７１の熱膨張係数は６〜８ｐｐｍ／℃程度となっている。即ち、内側絶縁部６１，７１の熱膨張係数は、誘電体３３（電極パネル３０）の熱膨張係数（７ｐｐｍ／℃）と同程度になっている。なお、内側絶縁部６１，７１の熱膨張係数は、常温〜６００℃間の測定値の平均値をいう。

図６〜図８に示されるように、プラズマパネル積層体２０は、各電極パネル３０の第１端部４１側に形成された第１電気導通部８１と、各電極パネル３０の第２端部５１側に形成された第２電気導通部８２とを備えている。各電気導通部８１，８２は、導電性金属ペーストの硬化物からなっている。本実施形態において、各電気導通部８１，８２の形成材料は、ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ_２）を含んでいる。また、電気導通部８１，８２の熱膨張係数は、５〜７ｐｐｍ／℃となっている。即ち、電気導通部８１，８２の熱膨張係数は、誘電体３３の熱膨張係数（７ｐｐｍ／℃）と同程度になっている。なお、電気導通部８１，８２の熱膨張係数は、常温〜６００℃間の測定値の平均値をいう。

また、各電気導通部８１，８２は、各電極パネル３０を互いに固定保持する機能を有している。第１電気導通部８１は、各電極パネル３０の第１端部４１を覆うように形成され、第２電気導通部８２は、各電極パネル３０の第２端部５１を覆うように形成されている。具体的に言うと、第１電気導通部８１は、各電極パネル３０の第１端面３７の中央部を覆うように形成されている。さらに、第１電気導通部８１の一部は、上層側の電極パネル３０の第２主面３２と、下層側の電極パネル３０の第１主面３１と、第１内側絶縁部６１の外側面６３とによって囲まれた空間（第１凹部４６）内に充填されている。また、第２電気導通部８２は、各電極パネル３０の第２端面３８の中央部を覆うように形成されている。さらに、第２電気導通部８２の一部は、上層側の電極パネル３０の第２主面３２と、下層側の電極パネル３０の第１主面３１と、第２内側絶縁部７１の外側面７３とによって囲まれた空間（第２凹部５６）内に充填されている。なお、端面３７，３８上に形成されている電気導通部８１，８２の厚さＴ１は、少なくとも０．２ｍｍ以上であり、外側面６３，７３上に形成（即ち、空間内に充填）されている電気導通部８１，８２の厚さＴ２（本実施形態では１．５ｍｍ）よりも小さく、かつ、凹部４６，５６の深さＤ１（本実施形態では７ｍｍ）よりも小さくなっている。

そして、図６〜図９に示されるように、各電気導通部８１，８２は、複数の放電電極３４を電気的に接続するようになっている。具体的に言うと、電極パネル３０の第１端部４１または第２端部５１には、放電電極３４が露出している。本実施形態では、放電電極３４の電気取出部３６の先端面が、第１端面３７または第２端面３８に露出している。なお、電気取出部３６の先端面には、モリブデン（Ｍｏ）やマンガン（Ｍｎ）等からなるメタライズ層が形成されている。そして、第１電気導通部８１は、第１端面３７に露出した電気取出部３６の先端面に電気的に接続され、第２電気導通部８２は、第２端面３８に露出した電気取出部３６の先端面に電気的に接続されている。

図６〜図８に示されるように、第１電気導通部８１には第１導体金属部材９１（厚さ０．２ｍｍ）が内蔵され、第２電気導通部８２には第２導体金属部材９２（厚さ０．２ｍｍ）が内蔵されている。各導体金属部材９１，９２は、各電極パネル３０の端面３７，３８と平行に配置されており、電極パネル３０の積層方向に沿って延びている。各導体金属部材９１，９２のガス非通過面２３側の端縁は、最上層の電極パネル３０の第１主面３１と同じ高さに位置し、各導体金属部材９１，９２のガス非通過面２５側の端縁は、最下層の電極パネル３０の第２主面３２と同じ高さに位置している。第１導体金属部材９１は、第１電気導通部８１内の略全体の領域において帯状に形成され、第２導体金属部材９２は、第２電気導通部８２内の略全体の領域において帯状に形成されている。なお、本実施形態の導体金属部材９１，９２は、ステンレス（ＳＵＳ３０４）によって形成されたメッシュ状の導体である。

図６〜図８に示されるように、プラズマパネル積層体２０は、各電極パネル３０（プラズマパネル積層体２０）をガス非通過面２４側から挟み込んで保持する第１外側絶縁部１０１と、各電極パネル３０をガス非通過面２６側から挟み込んで保持する第２外側絶縁部１０２とを備えている。各外側絶縁部１０１，１０２は、電気導通部８１，８２を覆う機能と、各電極パネル３０を積層方向に挟み込む機能とを有している。なお、本実施形態において、各外側絶縁部１０１，１０２の形成材料は、無機粉末、無機繊維及び無機バインダーを含んでいる。即ち、本実施形態の外側絶縁部１０１，１０２は、内側絶縁部６１，７１と同じ材料を用いて形成されているため、外側絶縁部１０１，１０２の熱膨張係数も、内側絶縁部６１，７１の熱膨張係数と等しくなる。

また、外側絶縁部１０１，１０２は、絶縁部本体１０３及び絶縁部側部１０４を備えている。絶縁部本体１０３は、電極パネル３０の積層方向に延びている。絶縁部本体１０３は、電気導通部８１，８２よりも幅広に形成されており、電気導通部８１，８２を側方から覆うようになっている。絶縁部側部１０４は、絶縁部本体１０３と一体に形成され、絶縁部本体１０３の両端部に配置されている。なお、各絶縁部側部１０４は、平面視略半円状（図７参照）を成し、電気導通部材８１，８２のガス非通過面２３側の端面、及び、電気導通部材８１，８２のガス非通過面２５側の端面を覆うようになっている。そして、各絶縁部側部１０４の先端部は、最上層の電極パネル３０の第１主面３１（ガス非通過面２３）、または、最下層の電極パネル３０の第２主面３２（ガス非通過面２５）に接着されている。

図２〜図５に示されるように、プラズマリアクタ１は、一対の電源供給端子１１１，１１２を備えている。本実施形態の電源供給端子１１１，１１２は、スパークプラグと同様の構造を有している。詳述すると、電源供給端子１１１，１１２は、外部接続部、金属粉末を含む導電性シール、絶縁体、主体金具、滑石、パッキン類等を備えている。外部接続部は、導電性シールを介して中心軸１１３に接続されている。中心軸１１３は、先端部が絶縁体内に配置されている。なお、電源供給端子は、本実施形態のものに限定される訳ではなく、絶縁体によって外部接続部とケース１０との間が絶縁されている構造であれば、他の構造であってもよい。

また、各電源供給端子１１１，１１２は、基端部（中心軸１１３）が中継端子１１４（図５参照）の先端部に電気的に接続され、先端部がケース１０から露出している。そして、各電源供給端子１１１，１１２は、互いに同一方向に突出している。なお、本実施形態では、電源供給端子１１１の先端部が第１の配線６（図１参照）に接続されるとともに、電源供給端子１１２の先端部が第２の配線７（図１参照）に接続されるようになっている。また、中継端子１１４は、同中継端子１１４の基端部に設けられた軸部材１１５を介して、最上層の電極パネル３０の第１主面３１（ガス非通過面２３）上に形成されたパッド１１６（図６，図７参照）に接続されている。パッド１１６は、ビア導体（図示略）等を介して放電電極３４に電気的に接続されている。

なお、図１に示されるように、本実施形態のプラズマリアクタ１は、例えば、排ガスに含まれているＰＭを除去するために用いられる。この場合、電源３から隣接する電極パネル３０間にパルス電圧（例えば、ピーク電圧：５ｋＶ（５０００Ｖ）、パルス繰返し周波数：１００Ｈｚ）が印加されると、誘電体バリア放電が生じ、放電電極３４間に誘電体バリア放電によるプラズマが発生する。そして、プラズマの発生により、ガス流路２７を流れる排ガスに含まれるＰＭが酸化（燃焼）されて除去される。

次に、プラズマリアクタ１の製造方法を説明する。

まず、アルミナ粉末を主成分とするセラミック材料を用いて、誘電体３３となる第１，第２，第４，第５，第６のセラミックグリーンシートと、誘電体４５，５５（スペーサ４２，５２）となる第３のセラミックグリーンシートとを形成する。なお、セラミックグリーンシートの形成方法としては、テープ成形や押出成形などの周知の成形法を用いることができる。

次に、第１，第４，第５のセラミックグリーンシートを支持台（図示略）に載置する。さらに、従来周知のペースト印刷装置（図示略）を用いて、第１，第４，第５のセラミックグリーンシートの裏面上に導電性ペースト（本実施形態では、タングステンペースト）を印刷する。その結果、第１，第４，第５のセラミックグリーンシートの裏面上に、放電電極３４となる厚さ１０μｍの未焼成電極が形成される。なお、第１，第４，第５のセラミックグリーンシートに対する未焼成電極の印刷方法としては、スクリーン印刷などの周知の印刷法を使用することができる。

そして、導電性ペーストの乾燥後、未焼成電極が印刷された第１のセラミックグリーンシートの裏面上に第２のセラミックグリーンシートを積層し、シート積層方向に押圧力を付与する。その結果、各セラミックグリーンシートが一体化され、第２層〜最下層の電極パネル３０となるセラミック積層体が形成される。なお、第３のセラミックグリーンシートには、ガス流路２７や、第１凹部４６または第２凹部５６の形状に合わせた打抜加工が施される。また、未焼成電極が印刷された第４のセラミックグリーンシートの裏面上に、同じく未焼成電極が印刷された第５のセラミックグリーンシートを積層した後、積層した第５のセラミックグリーンシートの裏面上に第６のセラミックグリーンシートを積層し、シート積層方向に押圧力を付与する。その結果、各セラミックグリーンシートが一体化され、最上層の電極パネル３０となるセラミック積層体が形成される。

次に、周知の手法に従って乾燥工程や脱脂工程などを行った後、セラミックグリーンシート及び未焼成電極をアルミナ及びタングステンが焼結しうる所定の温度（例えば、１４００℃〜１６００℃程度）に加熱する同時焼成を行う。その結果、第１，第２，第４〜第６のセラミックグリーンシート中のアルミナ、及び、導電性ペースト中のタングステンが同時焼結し、誘電体３３及び放電電極３４が同時焼成によって形成され、第１，第２，第４〜第６のセラミックグリーンシートが電極パネル３０となる。なお、このとき、放電電極３４の電気取出部３６の先端面が、電極パネル３０の第１端面３７や第２端面３８に露出するようになる。また、第３のセラミックグリーンシート中のアルミナが焼結し、誘電体４５，５５が同時焼成によって形成され、第３のセラミックグリーンシートが第１スペーサ４２及び第２スペーサ５２となる。その後、積層工程を行い、得られた電極パネル３０と得られたスペーサ４２，５２とを交互に複数枚積層して、プラズマパネル積層体２０を形成する。

次に、アルミナ粉末、シリカ粉末、アルミナファイバー、無機バインダーである珪酸ナトリウム、硬化補助材である酸化亜鉛を、水を用いて混練する。そして、混錬したものをペースト状に成形することにより、絶縁コート剤を得る。次に、得られた絶縁コート剤を、電極パネル３０の第１凹部４６及び第２凹部５６に充填する。さらに、充填した絶縁コート剤を、大気雰囲気下にて２５℃で１２時間乾燥した後、４００℃で２時間焼成する。その結果、絶縁コート剤が硬化して内側絶縁部６１，７１となる。

次に、導電性金属ペースト（本実施形態では、ホウ化ジルコニウムを含むペースト）を、各電極パネル３０の第１端面３７の中央部と、各電極パネル３０の第２端面３８の中央部とに塗布する。このとき、第１端面３７に塗布された導電性金属ペーストの一部は、上層側の電極パネル３０の第２主面３２と、下層側の電極パネル３０の第１主面３１と、第１内側絶縁部６１の外側面６３とによって囲まれた空間内に充填される。また、第２端面３８に塗布された導電性金属ペーストの一部は、上層側の電極パネル３０の第２主面３２と、下層側の電極パネル３０の第１主面３１と、第２内側絶縁部７１の外側面７３とによって囲まれた空間内に充填される。さらに、第１端面３７に塗布された導電性金属ペーストに第１導体金属部材９１を埋め込むとともに、第２端面３８に塗布された導電性金属ペーストに第２電気導通部材９２を埋め込むようにする。そして、塗布及び充填した導電性金属ペーストを硬化させることにより、導電性金属ペーストが電気導通部８１，８２となる。

次に、上記の絶縁コート剤を、電気導通部８１，８２の表面全体を覆うように塗布する。さらに、塗布した絶縁コート剤を、大気雰囲気下にて２５℃で１２時間乾燥した後、４００℃で２時間焼成する。その結果、絶縁コート剤が硬化して外側絶縁部１０１，１０２となる。

さらに、ろう付け等を行うことにより、最上層の電極パネル３０の第１主面３１上に形成されたパッド１１６に対して、軸部材１１５を介して中継端子１１４を接続した後、中継端子１１４に対して、電源供給端子１１１，１１２の中心軸１１３を電気的に接続する。次に、プラズマパネル積層体２０の外表面を覆うようにマット８を取り付けた後、マット８の外表面を覆うようにケース１０を取り付ける。その後、電源供給端子１１１の先端部に第１の配線６を接続するとともに、電源供給端子１１２の先端部に第２の配線７を接続する。以上のプロセスを経て、プラズマリアクタ１が完成する。

従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）本実施形態のプラズマリアクタ１では、隣接する電極パネル３０間に生じた空間内において、内側絶縁部６１，７１がスペーサ４２，５２に接するように配置されている。このため、電極パネル３０とスペーサ４２，５２との間に生じる隙間への排ガスの侵入を、内側絶縁部６１，７１によって遮断することができる。従って、ガス流路２７内に流入した排ガスが、隙間を通過して電気導通部８１，８２に到達することが防止されるため、電気導通部８１，８２への排ガス中のＰＭや水の付着が防止されるようになる。その結果、ＰＭや水を介した隣接する電気導通部８１，８２間の導通や、同じくＰＭや水を介した電気導通部８１，８２−ケース１０間の導通が防止されるため、隣接する電気導通部８１，８２間の絶縁や、電気導通部８１，８２とケース１０との間の絶縁を確保することができる。ゆえに、プラズマリアクタ１の信頼性を向上させることができる。

（２）本実施形態では、電気導通部８１，８２の形成材料が、熱膨張係数が５〜７ｐｐｍ／℃のホウ化ジルコニウムを含んでいる。このため、電気導通部８１，８２の熱膨張係数は、電極パネル３０の熱膨張係数（７ｐｐｍ／℃）と同程度に近付くようになる。しかも、本実施形態では、内側絶縁部６１，７１及び外側絶縁部１０１，１０２の形成材料が、熱膨張係数が６〜８ｐｐｍ／℃程度の材料を含んでいる。このため、内側絶縁部６１，７１及び外側絶縁部１０１，１０２の熱膨張係数も、電極パネル３０の熱膨張係数と同程度に近付くようになる。以上の結果、電気導通部８１，８２と電極パネル３０との熱膨張差、内側絶縁部６１，７１と電極パネル３０との熱膨張差、及び、外側絶縁部１０１，１０２と電極パネル３０との熱膨張差に起因して生じる応力が小さくなるため、電極パネル３０での割れ等の発生を確実に抑制することができる。

（３）本実施形態では、放電電極３４の電気取出部３６の先端面が端面３７，３８に露出し、電気取出部３６の先端面にメタライズ層が形成されている。その結果、電気取出部３６と電気導通部８１，８２との密着強度が向上するため、電気取出部３６の先端面の面積が極めて小さい本実施形態においても、電気取出部３６と電気導通部８１，８２とを確実に接触させることができる。ゆえに、複数の電極パネル３０の放電電極３４を、電気導通部８１，８２を介して確実に導通させることができるため、プラズマリアクタ１の信頼性がよりいっそう向上する。

（４）本実施形態では、電気導通部８１，８２が各電極パネル３０の端面３７，３８に接触するだけでなく、電気導通部８１，８２の一部が、上層側の電極パネル３０の第２主面３２と、下層側の電極パネル３０の第１主面３１との間に充填されている。その結果、電極パネル３０と電気導通部８１，８２との接触面積が大きくなるため、両者の接合強度が向上する。ゆえに、プラズマリアクタ１の信頼性がよりいっそう向上する。

（５）本実施形態のプラズマリアクタ１は、第１コーン部１１及び第２コーン部１２を介して排気管２に取り付けられている。その結果、排気管２の上流側部分４→第１コーン部１１→プラズマリアクタ１→第２コーン部１２→排気管２の下流側部分５の順番に排ガスが流れる排ガス流路内の抵抗が低減されるため、排ガス流路内における圧力損失を抑えることができる。ひいては、圧力損失に伴うエンジンの出力低下も防止することができる。

なお、上記実施形態を以下のように変更してもよい。

・上記実施形態のプラズマパネル積層体２０では、電気導通部８１，８２に導体金属部材９１，９２が内蔵されていた。しかし、図１０のプラズマパネル積層体１２０に示されるように、電気導通部１２１に導体金属部材９１，９２が内蔵されていなくてもよい。

・図１１〜図１３に示されるように、プラズマパネル積層体１３０では、電気取出部１３１の一部が、電極パネル１３２の端面１３３、端部１３４における第１主面１３５上及び端部１３４における第２主面１３６上に形成されていてもよい。このようにすれば、電気取出部１３１と電気導通部１３７との接触面積が大きくなるため、両者をより確実に接触させることができる。ゆえに、プラズマリアクタ１の信頼性がよりいっそう向上する。なお、電気取出部１３１の先端面には、酸化を抑制するために、Ｎｉ等のめっきが施されることが好ましい。また、電気取出部１３１の先端面には、モリブデンやマンガン等からなるメタライズ層が形成されていてもよい。

・上記実施形態のプラズマパネル積層体２０では、内側絶縁部６１，７１の外側面６３，７３が、電極パネル３０の端面３７，３８よりも内側（スペーサ４２，５２寄り）に位置しており、電気導通部８１，８２の一部が、上層側の電極パネル３０の第２主面３２と、下層側の電極パネル３０の第１主面３１と、外側面６３，７３とによって囲まれた空間内に充填されていた。しかし、内側絶縁部６１，７１の外側面６３，７３を電極パネル３０の端面３７，３８と面一にして上記の空間を省略し、電気導通部８１，８２を、外側面６３，７３及び端面３７，３８を覆うように形成してもよい。

・上記実施形態では、全ての第１スペーサ４２が第１凹部４６を有していたが、一部の第１スペーサ４２のみが第１凹部４６を有していてもよいし、全ての第１スペーサ４２が第１凹部４６を有していなくてもよい。なお、第１凹部４６を有しない場合、第１内側絶縁部６１は、例えば第１スペーサ４２の外端面４４を覆うように形成される。同様に、上記実施形態では、全ての第２スペーサ５２が第２凹部５６を有していたが、一部の第２スペーサ５２のみが第２凹部５６を有していてもよいし、全ての第２スペーサ５２が第２凹部５６を有していなくてもよい。なお、第２凹部５６を有しない場合、第２内側絶縁部７１は、例えば第２スペーサ５２の外端面５４を覆うように形成される。

・上記実施形態では、内側絶縁部６１，７１が、スペーサ４２，５２よりも電極パネル３０の端面３７，３８寄りに配置されていたが、スペーサ４２，５２よりも電極パネル３０の中央部寄り（即ち、ガス流路２７寄り）に配置されていてもよい。

・上記実施形態のプラズマパネル積層体２０では、放電電極３４の電気取出部３６の先端面が、電極パネル３０の端面３７，３８に露出しており、電気導通部８１，８２が、端面３７，３８を覆うように形成されていた。しかし、電気取出部３６の先端面は、端部４１，５１における端面３７，３８とは別の面、例えば、端部４１，５１における第１主面３１や、端部４１，５１における第２主面３２に露出していてもよい。また、これらの場合、端面３７，３８は、電気導通部８１，８２に覆われることなく露出していてもよい。

・上記実施形態では、電気導通部８１，８２の形成材料がホウ化ジルコニウムを含んでいた。しかし、電気導通部８１の形成材料は、タングステンカーバイドを含んでいてもよいし、ホウ化ジルコニウム及びタングステンカーバイドの両方を含んでいてもよい。また、電気導通部８１，８２の形成材料は、ホウ化ジルコニウム及びタングステンカーバイドの少なくとも１つを含む代わりに、ニッケル、銅及び銀の少なくとも１つを含んでいてもよい。さらに、電気導通部８１，８２の形成材料は、ホウ化ジルコニウム及びタングステンカーバイドの少なくとも１つに加えて、ニッケル、銅及び銀の少なくとも１つを含んでいてもよい。

・上記実施形態のプラズマパネル積層体２０では、スペーサ４２，５２が電極パネル３０とは別体になっていたが、スペーサ４２，５２は、電極パネル３０と一体になっていてもよい。

・上記実施形態のプラズマパネル積層体２０は、１層の放電電極３４を有する電極パネル３０と、２層の放電電極３４を有する電極パネル３０とを積層した構造を有していた。しかし、プラズマパネル積層体は、２層の放電電極３４を有する電極パネル３０を有しない積層体であってもよい。

・上記実施形態のプラズマリアクタ１は、自動車のエンジンの排ガス浄化に用いられていたが、例えば、船舶等の排ガス浄化に用いてもよい。また、プラズマリアクタ１は、プラズマ処理を行うものであればよく、排ガスの処理を行うものでなくてもよいし、浄化に用いるものでなくてもよい。

次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。

（１）上記手段１において、前記スペーサは、隣接する前記スペーサに対向する内端面と、前記スペーサの幅方向において前記内端面の反対側に位置する外端面とを有することを特徴とするプラズマリアクタ。

（２）上記手段１において、前記電極パネルは、第１主面及び第２主面を有し、前記絶縁部は、隣接する前記絶縁部に対向する内側面と、前記絶縁部の幅方向において前記内側面の反対側に位置する外側面とを有し、前記電気導通部の少なくとも一部は、上層側の前記電極パネルの前記第２主面と、下層側の前記電極パネルの前記第１主面と、前記絶縁部の前記外側面とによって囲まれた空間内に充填されていることを特徴とするプラズマリアクタ。

（３）技術的思想（２）において、前記電極パネルは、面方向において前記ガス流路を挟んで互いに反対側に位置する一対の端面を有し、前記電気導通部は、前記端面を覆うように形成されており、前記端面に形成されている前記電気導通部の厚さは、前記凹部の深さよりも小さいことを特徴とするプラズマリアクタ。

１…プラズマリアクタ
２０，１２０，１３０…プラズマパネル積層体
２７…ガス流路
３０，１３２…電極パネル
１３５…第１主面
１３６…第２主面
３４…放電電極
３５…放電電極本体
３６，１３１…電気取出部
３７…端面としての第１端面
３８…端面としての第２端面
４１…端部としての第１端部
４２…スペーサとしての第１スペーサ
４６…凹部としての第１凹部
５１…端部としての第２端部
５２…スペーサとしての第２スペーサ
５６…凹部としての第２凹部
６１…絶縁部としての第１内側絶縁部
７１…絶縁部としての第２内側絶縁部
８１…電気導通部としての第１電気導通部
８２…電気導通部としての第２電気導通部
９１…導体金属部材としての第１導体金属部材
９２…導体金属部材としての第２導体金属部材
１２１，１３７…電気導通部
１３３…端面
１３４…端部

Claims (10)

1. 放電電極を内蔵してなる複数の電極パネルを積層した構造を有し、隣接する前記電極パネル間に形成されたガス流路にガスを流して電圧を印加することによりプラズマを発生させるプラズマパネル積層体を備えるプラズマリアクタであって、
   前記複数の電極パネルは、面方向において前記ガス流路を挟んで互いに反対側に位置する一対の端部を有し、
   前記端部に前記放電電極が露出しており、
   複数の前記放電電極を電気的に接続する電気導通部を備え、
   前記電極パネルは、前記一対の端部にそれぞれ設けられたスペーサを介して、隣接する前記電極パネルに対して積層され、
   前記スペーサを介することによって隣接する前記電極パネル間に生じた空間に、絶縁部が前記スペーサに接するように配置されている
   ことを特徴とするプラズマリアクタ。
2. 前記電気導通部は、導電性金属ペーストの硬化物からなり、前記端部を覆うように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマリアクタ。
3. 前記電極パネルは、面方向において前記ガス流路を挟んで互いに反対側に位置する一対の端面を有し、
   前記放電電極は、放電電極本体から外周側に延出する電気取出部を有し、前記電気取出部の先端面は前記端面に露出している
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマリアクタ。
4. 前記電極パネルは、第１主面及び第２主面を有し、
   前記電気取出部の一部が、前記端部における前記第１主面上及び前記端部における前記第２主面上に形成されている
   ことを特徴とする請求項３に記載のプラズマリアクタ。
5. 前記電極パネルは、面方向において前記ガス流路を挟んで互いに反対側に位置する一対の端面を有し、
   前記絶縁部は、前記スペーサよりも前記端面寄りに配置されている
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のプラズマリアクタ。
6. 前記スペーサは前記端面側にて開口する凹部を有し、前記絶縁部は前記凹部内に配置されていることを特徴とする請求項５に記載のプラズマリアクタ。
7. 前記電気導通部の形成材料は、ニッケル、銅及び銀の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のプラズマリアクタ。
8. 前記電気導通部の形成材料は、ホウ化ジルコニウム及びタングステンカーバイドの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のプラズマリアクタ。
9. 前記電気導通部に導体金属部材が内蔵されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のプラズマリアクタ。
10. 前記絶縁部の形成材料は、無機粉末、無機繊維及び無機バインダーを含むことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のプラズマリアクタ。

Images