JP2022049504A

JP2022049504A - 誘電体バリア放電装置

Info

Publication number: JP2022049504A
Application number: JP2020155735A
Authority: JP
Inventors: 陽介佐藤; Yosuke Sato; 明生宇井; Akio Ui; 征人秋田; Masato Akita; 将太郎岡; Shotaro Oka
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2020-09-16
Filing date: 2020-09-16
Publication date: 2022-03-29
Also published as: US20220087002A1

Abstract

【課題】管形状の誘電体内に生成するプラズマの均一性をより簡便にかつ再現性よく高めることを可能にした誘電体バリア放電装置を提供する。【解決手段】実施形態の誘電体バリア放電装置１は、中空形状の流路８を有する誘電体４と、流路８内にプラズマを形成する第１領域９を生じさせるように、誘電体４に沿って離間して設けられた第１電極５及び第２電極６と、第１電極５と第２電極６との間に電圧を印加する電源３とを具備する。誘電体４は、第１領域９以外の第２領域１１の第２流路断面積より第１領域９の第１流路断面積が小さくなるように、誘電体４の内壁から流路８の中心方向に向けて突出するように設けられた流路面積調整部７を有する。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、誘電体バリア放電装置に関する。

大気圧下で低温のプラズマを生成するための代表的な方法として、誘電体バリア放電（ＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃＢａｒｒｉｅｒＤｉｓｃｈａｇｅ：ＤＢＤ）方式が知られている。ＤＢＤを適用した放電装置（以下、ＤＢＤ装置とも記す。）は通常、１組の電極と誘電体とから構成され、１組の電極間に例えば数ｋＶから数１０ｋＶの高電圧を印加することで、気体の放電（絶縁破壊）を発生させてプラズマを生成する。電圧波形を交流又はパルスとすることで、電子だけを集中的に加速（加熱）することができ、電子温度は１００００～２０００００Ｋ程度（約１ｅＶ～２０ｅＶ、約１１０００Ｋ=１ｅＶ）の高温となる一方で、気体の温度は室温程度（約３００Ｋ）に抑えることができる。このような状態を非平衡プラズマ又は低温プラズマと呼ぶ。

ＤＢＤ装置として、例えば誘電体の形状を処理気体等を流通させる円筒状等の管形状とし、その周囲に１組の電極を配置した構造が知られている。このような構造を有するＤＢＤ装置によれば、誘電体の周囲に配置した電極に高電圧を印加し、管形状の誘電体内にプラズマを発生させることで、その中を流通させる処理気体等の処理性を高めることができる。ただし、管形状の誘電体内にプラズマを均一に発生させることができないと、プラズマ中を通らない処理気体等の一部が未処理状態で通過してしまうことになる。従来のＤＢＤ装置の多くは、電極の配置や形状、誘電体の材質、電圧波形等を改良することで、管形状の誘電体内に生成するプラズマの均一性を高めることが検討されている。しかしながら、従来のＤＢＤ装置では必ずしも十分な効果は得られておらず、管形状の誘電体内に生成するプラズマの均一性をより簡便にかつ再現性よく高めることが求められている。

特許第３７６８８５４号公報

本発明が解決しようとする課題は、管形状の誘電体内に生成するプラズマの均一性をより簡便にかつ再現性よく高めることを可能にした誘電体バリア放電装置を提供することにある。

実施形態の誘電体バリア放電装置は、中空形状の流路を有する誘電体と、前記流路内にプラズマを形成する第１領域を生じさせるように、前記誘電体に沿って離間して設けられた第１電極及び第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加する電源とを具備し、前記誘電体は、前記第１領域以外の第２領域の第２流路断面積より前記第１領域の第１流路断面積が小さくなるように、前記誘電体の内壁から前記流路の中心方向に向けて突出するように設けられた流路面積調整部を有する。

実施形態の誘電体バリア放電装置を示す斜視図である。図１に示す誘電体バリア放電装置の断面図である。図１に示す誘電体バリア放電装置における誘電体の流路形状の一例を示す断面である。図１に示す誘電体バリア放電装置における誘電体の流路形状の他の例を示す断面である。実施形態の誘電体バリア放電電極の第１の変形例を示す断面図である。実施形態の誘電体バリア放電電極の第２の変形例を示す断面図である。実施形態の誘電体バリア放電電極の第３の変形例を示す断面図である。実施形態の誘電体バリア放電装置によるプラズマ分布のシミュレーション結果を示す図である。第１の比較例の誘電体バリア放電装置によるプラズマ分布のシミュレーション結果を示す図である。第２の比較例の誘電体バリア放電装置によるプラズマ分布のシミュレーション結果を示す図である。図１に示す誘電体バリア放電装置の流路面積調整部の第１の例を示す断面図である。図１に示す誘電体バリア放電装置の流路面積調整部の第２の例を示す断面図である。図１に示す誘電体バリア放電装置の流路面積調整部の第３の例を示す断面図である。図１に示す誘電体バリア放電装置の第１の変形例を示す断面図である。図１に示す誘電体バリア放電装置の第２の変形例を示す断面図である。

以下、実施形態の誘電体バリア放電装置について、図面を参照して説明する。なお、各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、その説明を一部省略する場合がある。図面は模式的なものであり、各部の厚さと平面寸法との関係、各部の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。説明中の上下方向を示す用語は、重力加速度方向を基準とした現実の方向とは異なる場合がある。

図１は実施形態の誘電体バリア放電装置を示す斜視図、図２は実施形態の誘電体バリア放電装置を示す断面図である。図１及び図２に示す誘電体バリア放電装置１は、誘電体バリア放電電極２とそれに電圧を印加する電源３とを具備している。誘電体バリア放電電極２は、誘電体４と第１電極５と第２電極６と流路面積調整部７とを備えている。電源３は第１電極５及び第２電極６に電気的に接続されている。電源３から第１及び第２電極５、６に電圧を印加することで、放電（絶縁破壊）を発生させてプラズマが生成される。ここで、誘電体４の流路断面に平行でかつ互いに交差する２方向をｘ方向及びｙ方向とし、ｘ方向及びｙ方向と交差する方向をｚ方向とする。

誘電体バリア放電電極２において、誘電体４は中空形状の流路８を有している。中空状の誘電体４の形状は、特に限定されるものではないが、例えば図３に流路８の断面を示すように、円筒形状が一般的である。誘電体４の形状は、図４に流路８の断面を示すように、外形が四角形等の角筒形状であってもよい。誘電体４の流路８の断面形状は、図３に示す円形、図４に示す四角形、さらに楕円形や多角形等であってもよい。ただし、誘電体バリア放電電極２による放電の均一性を保つために、流路８の断面形状はできるだけ対称な形状が好ましい。また、意図しない放電を防ぐためにも、流路８の断面形状はあまり角をもたない方が良い。そのため、流路８の断面形状は円形が好ましい。

誘電体４の流路８の内寸法、例えば断面円形の流路８の内径（直径）は、０．５ｍｍ以上２０ｍｍ以下が好ましく、典型的には５ｍｍ以上１０ｍｍ以下程度である。流路８の内径があまり大きいと、形成されるプラズマの分布が不均一になりやすく、また放電を発生させるために必要な電圧が高くなる。流路８の内径が小さすぎると、気体が流れにくくなるという問題が発生する。誘電体４の中空形状の流路８には、プラズマ処理に応じた被処理ガスや反応性ガス等がｚ方向に流通される。誘電体４には、例えば無アルカリガラスやホウケイ酸ガラス等のガラス材料、アルミナセラミックスや窒化ケイ素セラミックス等のセラミックス材料、エポキシ樹脂、ポリエーテル樹脂、ポリイミド樹脂等の樹脂材料等が用いられる。

第１電極５及び第２電極６は、例えば図１及び図２に示すように、誘電体４の外壁４ａに沿って配置されている。第１電極５及び第２電極６は、流路８内にプラズマを形成する第１の領域９を生じさせるように、誘電体４の外壁４ａに沿って離間して配置されている。このような第１及び第２電極５、６に電源３から電圧を印加することによって、流路８の第１の領域９に放電（絶縁破壊）が生じてプラズマが生成される。第１電極５及び第２電極６には、例えば銅、銀、クロム、チタン、白金等の金属材料が用いられる。例えば、銅テープのような金属テープを誘電体４の周囲に貼り付けることで電極５、６とすることができる。また、金属製のワイヤを誘電体４の周囲に数回から数１０回巻き付けることで電極５、６とすることもできる。電極５、６の大きさは、誘電体４の軸方向（ｚ方向）に数ｍｍから数１０ｍｍであり、例えば１０ｍｍから２０ｍｍ程度が好適に使用される。

第１電極５と第２電極６との間のギャップ（距離）は、５ｍｍから数１０ｍｍ程度が好ましい。ギャップは、ある程度大きい方がプラズマ領域（第１の領域９）を広げることができる。ギャップは放電のしやすさにも関係し、大きすぎると放電を発生させるために高い電圧が必要となったり、均一性が低下したりすることがある。ギャップは、典型的には１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下程度である。第１及び第２電極５、６に印加する電圧の波形としては、交流波形又はパルス波形が使用される。交流の周波数としては、数Ｈｚから数ＧＨｚまで使用することができる。交流の周波数は数ｋＨｚから数ＭＨｚが典型的であり、ＧＨｚオーダーのマイクロ波を使用することも可能である。商用電源周波数（５０又は６０Ｈｚ）も使用可能である。パルス波形としては、数ナノ秒から数１００マイクロ秒の立ち上がり時間をもつ波形を使用することができる。

第１電極５及び第２電極６は、図５に示すように、誘電体材料１０で覆われていることが好ましい。これによって、誘電体４の周囲に露出された第１電極５と第２電極６との間における放電を防ぐことができる。誘電体材料１０は、例えば第１及び第２電極５、６の上から絶縁性の材質を被せることにより設置することができる。その方法としては、絶縁性のテープを巻いたり、絶縁性の液体を周囲に配置したり、又は絶縁性の樹脂等で上から固める等の方法が挙げられる。さらに、第１電極５及び第２電極６は、図６に示すように、誘電体４の内壁４ｂに沿って配置してもよい。この場合、第１電極５及び第２電極６は誘電体材料１０で覆われる。誘電体材料１０の設置方法は、上記した誘電体４の外壁４ａに沿って第１及び第２電極５、６を配置する場合と同様である。さらに、図１又は図５に示す第１及び第２電極５、６と、図６に示す第１及び第２電極５、６とを組み合わせもよい。すなわち、第１及び第２電極５、６の一方を誘電体４の外壁４ａに沿って配置し、他方を誘電体４の内壁４ｂに沿って配置してもよい。

誘電体４の流路８内には、プラズマによる処理に応じて被処理ガスや反応性ガス等が流通される。例えば、ガス中に含まれる有毒成分やにおい成分等を処理する場合、そのような成分を含む被処理ガスを流路８内に流通させる。また、例えばＣＨ_４ガスとＯ_２ガスとを反応させてＣＨ_３ＯＨ等の燃料ガスを生成する場合、そのような反応成分を含む反応性ガスを流路８内に流通させる。流路８での処理は特に限定されるものではなく、プラズマを用いた各種の処理が適用され、処理に応じたガスを流路８内に流通させる。誘電体４の流路８内に流すガスの流量は、数ｓｌｍ（ｓｔａｎｄａｒｄｌｉｔｔｅｒｐｅｒｍｉｎｕｔｅ）が想定され、典型的には１ｓｌｍ以上５ｓｌｍ以下である。この流量は、ガスの反応に要する時間や滞留時間等を考慮して設定することができる。プラズマの生成時間（数ナノ秒～数１０マイクロ秒）とガスの流れる時間（数ミリ秒）の時間スケールには大きな相違があるため、基本的にはこれらは独立して考えられる。

誘電体４の流路８内で生起するガスの処理は、ガスが第１の領域９に生じさせたプラズマ中を通過することにより実施される。この際、第１電極５と第２電極６との間の第１の領域９に発生させるプラズマが不均一であると、一部のガスがプラズマ中を通らないおそれが生じ、ガスの一部が未処理状態で通過してしまうことになる。これは誘電体バリア放電装置１の処理効率の低下要因となる。そこで、実施形態の誘電体バリア放電電極２では、誘電体４の流路８に流路面積調整部７を設けている。流路面積調整部７は、第１領域９以外の第２領域１１の第２流路断面積より第１領域９の第１流路断面積が小さくなるように、誘電体４の内壁４ｂから流路８の中心方向に向けて突出するように設けられている。第１領域９以外の第２領域１１とは、第１電極５と第２電極６の設置位置に相当する流路領域や第１電極５の上流側及び第２電極６の下流側に相当する流路領域である。

流路面積調整部７は、誘電体４の内壁４ｂから流路８の中心方向に向けて突出した凸部１２を有する。凸部１２は流路８の内径を狭めており、これにより第１領域９の第１流路断面積を減少させている。流路面積調整部７の凸部１２は、図２に示すように、湾曲状に突出させたもの（断面半球状又は断面半楕円状等）に限られるものではなく、例えば図７に示すように、直線的に突出させたもの（断面三角形状等）であってもよい。凸部１２の形状は特に限られるものではなく、第１領域９の第１流路断面積を第２領域１１の第２流路断面積より小さくすることが可能なものであればよい。このように、第１領域９の第１流路断面積をそれより上流側及び下流側の第２領域１１の第２流路断面積より小さくすることによって、第１領域９にプラズマを均一に発生させることができる。

実施形態の誘電体バリア放電電極２について、数値シミュレーションにより得られたプラズマ分布を図８に示す。図８はグレースケールによりプラズマ中の電子密度の分布を示している。グレースケールの色が濃い領域はプラズマ電子密度が高い領域であり、色が薄い領域はプラズマが生成されていない領域を示している。比較のために、流路面積調整部７を設けていない流路８を有する誘電体４を用いた誘電体バリア放電電極（比較例１）の数値シミュレーションにより得られたプラズマ分布を図９に示す。さらに、プラズマ形成領域の断面積を他の領域より広げた流路８を有する誘電体４を用いた誘電体バリア放電電極（比較例２）の数値シミュレーションにより得られたプラズマ分布を図１０に示す。図８、図９、及び図１０は流路８を有する誘電体４を中心線で半分に切った一方の数値シミュレーション結果を示している。

図９に示すように、流路面積調整部７を設けていない流路８、すなわち直管型の流路８では、プラズマと誘電体４との間に色が薄い領域が比較的広く存在しており、プラズマが生成されていない領域が多く発生していることが分かる。それに対して、図８に示すように、第１領域９の第１流路断面積をそれより上流側及び下流側の第２領域１１の第２流路断面積より小さくした流路８では、プラズマと誘電体４との間の色が薄い領域が小さくなっていることが分かる。これによって、上流から流れてくるガスは、プラズマ中を通りやすくなり、反応が促進される。また、図１０に示すように、流路断面積を大きくした場合には、色が薄い領域がさらに広がっていることが分かる。従って、プラズマ分布の観点からは、流路断面積を広くしてもプラズマ分布の均一性を高めることはできない。

上記したプラズマ分布の均一性を高めるにあって、第１領域９の第１流路断面積を小さくする割合は、第２領域１１の第２流路断面積の３０％以上９０％以下とすることが好まし、６０％以上９０％以下とすることがより好ましい。第１流路断面積が第２流路断面積の９０％を超えると、上記した流路断面積を小さくしたことによるプラズマ密度の均一化効果を十分に得られないおそれがある。一方、第１流路断面積が第２流路断面積の３０％未満になると、その領域における流速が速くなり、反応のための滞留時間が低下するおそれがある。従って、第１流路断面積は第２流路断面積の３０％以上９０％以下が好ましい。

流路面積調整部７を有する流路８を備える誘電体４は、例えば以下のようにして作製することができる。例えば、図１１に示すように、管形状の誘電体４の一部を熱や力により内側に変形させることによって、流路８の中心方向に向けて突出させた凸部１２を有する流路面積調整部７を得ることができる。また、図１２及び図１３に示すように、管形状の誘電体４の内壁４ｂに、誘電体材料を中心方向に向けて固着させることによって、誘電体材料からなる凸部１２を有する流路面積調整部７を得ることができる。図１２は誘電体材料を誘電体４の内壁４ｂに詰めることによって、凸部１２を形成した状態を示している。図１３は誘電体材料からなる部品を流路８の内壁４ｂに接着した状態を示している。図１２及び図１３に示すように、凸部１２を誘電体４とは別の誘電体材料で構成する場合、凸部１２の誘電体材料は誘電体４とは異なる材料であってもよい。図１１、図１２、及び図１３は誘電体４を流路８に沿って中心線で半分に切った状態の断面図である。

図８に示したように、流路面積調整部７を設けた流路８を有する誘電体４を用いた場合においても、プラズマと誘電体４の内壁４ｂとの間に色が薄い領域が僅かに確認されており、誘電体４の形状の工夫だけではプラズマが生じていない領域が残存する場合がある。誘電体４の形状の工夫により、プラズマが生じていない領域が減少することが確認できたが、さらなる工夫として、流路８内のプラズマ領域（第１領域９）やプラズマ領域（第１領域９）の上流域に、流路８内に流通させるガスの流れを乱すように構成された乱れ発生部材を設置し、流れを乱すことによりガスとプラズマの混合を促進することができる。このような流れの乱れを実現する方法としては、例えば図１４に示すように、誘電体４の内壁に乱れ発生部材として突起１３を設けたり、図１５に示すように、誘電体４の流路８内に乱れ発生部材としてメッシュ状物質１４を配置する等が考えられる。ただし、これら乱れ発生部材は流体抵抗を上昇させ、ガスが流れにくくなる方向に働くため、流れとのバランスを考慮して配置することが好ましい。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…誘電体バリア放電装置、２…誘電体バリア放電電極、３…電源、４…誘電体、５…第１電極、６…第２電極、７…流路面積調整部、８…流路、９…第１領域、１０…誘電体材料、１２…第２領域、１３，１４…乱れ発生部材。

Claims

中空形状の流路を有する誘電体と、
前記流路内にプラズマを形成する第１領域を生じさせるように、前記誘電体に沿って離間して設けられた第１電極及び第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加する電源とを具備する誘起体バリア放電装置であって、
前記誘電体は、前記第１領域以外の第２領域の第２流路断面積より前記第１領域の第１流路断面積が小さくなるように、前記誘電体の内壁から前記流路の中心方向に向けて突出するように設けられた流路面積調整部を有する、誘起体バリア放電装置。
前記流路の前記第１流路断面積は、前記第２流路断面積の６０％以上９０％以下の範囲である、請求項１に記載の誘起体バリア放電装置。
前記誘電体は、断面が円形の前記流路を有する、請求項１又は請求項２に記載の誘起体バリア放電装置。
前記流路面積調整部は、前記誘電体の内壁を前記中心方向に向けて変形させた突出部を有する、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の誘起体バリア放電装置。
前記流路面積調整部は、前記誘電体の内壁に前記中心方向に向けて固着された誘電体材料を含む突出部を有する、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の誘起体バリア放電装置。
前記誘電体は、第１誘電体材料を含み、
前記突出部は、前記第１誘電体材料と異なる第２誘電体材料を含む、請求項５に記載の誘起体バリア放電装置。
前記第１電極及び前記第２電極の少なくとも一方は、前記誘電体の外壁に沿って設けられている、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の誘起体バリア放電装置。
前記第１電極及び前記第２電極の少なくとも一方は、誘電体材料で覆われている、請求項７に記載の誘起体バリア放電装置。
前記第１電極及び前記第２電極の少なくとも一方は、前記誘電体の前記内壁に沿って設けられており、前記誘電体の前記内壁に沿って設けられた前記第１電極及び前記第２電極の少なくとも一方は、誘電体材料で覆われている、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の誘起体バリア放電装置。
さらに、前記流路内の前記第１領域又は前記第１領域の上流域に設置され、前記流路内に流通させるガスの流れを乱すように構成された乱れ発生部材を具備する、請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の誘起体バリア放電装置。