JP4448097B2 - プラズマ発生電極及びプラズマ反応器 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ発生電極及びプラズマ反応器に関する。さらに詳しくは、熱応力が緩和されて、温度変化による電極の歪みや破損が有効に防止されたプラズマ発生電極及びプラズマ反応器に関する。

二枚の両端を固定された電極間に誘電体を配置し高電圧の交流、あるいは周期パルス電圧をかけることにより、無声放電が発生し、これによりできるプラズマ場では活性種、ラジカル、イオンが生成され、気体の反応、分解を促進することが知られており、これをエンジン排気ガスや各種の焼却炉排気ガスに含まれる有害成分の除去に利用できることが知られている。

例えば、エンジン排気ガスや各種の焼却炉排気ガスを、プラズマ場内を通過させることによって、このエンジン排気ガスや各種の焼却炉排気ガス中に含まれる、例えば、ＮＯ_ｘ、カーボン微粒子、ＨＣ、ＣＯ等を処理する、プラズマ反応器等が開示されている（例えば、特開２００１−１６４９２５号公報参照）。

しかしながら、エンジン排気ガス等の高温の排気ガスを処理する場合に、プラズマ反応器の内部に配置されたプラズマ発生電極が、熱応力によって変形や破損するという問題があった。また、対向する電極の材料が異なる場合には、それぞれの熱膨張量の違いにより応力が発生して、プラズマ発生電極が破損するという問題があった。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、熱応力が緩和されたプラズマ発生電極及びプラズマ反応器を提供する。

上述の目的を達成するため、本発明は、以下のプラズマ発生電極及びプラズマ反応器を提供するものである。

［１］ 互いに対向する二以上の電極と、前記電極のそれぞれを所定間隔に隔てて保持する保持部材とを備えてなり、前記電極相互間に電圧を印加することによってプラズマを発生させることが可能なプラズマ発生電極であって、互いに対向する前記電極のうちの少なくとも一方が、誘電体となる板状のセラミック体と、前記セラミック体の内部に配設された導電膜とを有するとともに、前記保持部材が、対向する前記電極のそれぞれの反対側の端部（固定端部）を片持ち梁の状態で固定して、全体として前記電極のそれぞれを、互い違いに向きの異なった片持ち梁の状態で、前記所定間隔に隔てて保持してなるとともに、前記電極の前記固定端部とは反対側の自由端部と対向するそれぞれの表面に、前記自由端部が所定の隙間を持って挿入される、多数の第一の溝部を有してなるプラズマ発生電極。

［２］ 前記保持部材が、互いに相補的な形状の、前記第一の溝部を櫛歯とする一体的な第一の櫛形部材と、第二の溝部を櫛歯とする一体的な第二の櫛形部材とから構成され、前記第一の櫛形部材の前記第一の溝部に前記電極の前記自由端部が挿入されてなるとともに、前記第二の櫛形部材の前記第二の溝部に前記電極の前記固定端部が片持ち梁の状態で固定されてなる前記［１］に記載のプラズマ発生電極。

［３］ 前記電極のそれぞれの前記固定端部が、前記第二の櫛形部材の前記第二の溝部に、接着材によって片持ち梁の状態で固定されてなる前記［２］に記載のプラズマ発生電極。

［４］ 前記電極の前記固定端部と電気的な接続を行うための接続端子をさらに備えてなる前記［１］〜［３］のいずれかに記載のプラズマ発生電極。

［５］ 前記接続端子の主成分が、０〜６００℃における熱膨張係数が７×１０^−６（１／Ｋ）以下の金属である前記［４］に記載のプラズマ発生電極。

［６］ 前記接続端子が、溶接接合、ロウ付け接合又は拡散接合によって、前記電極の前記固定端部に接合されたものである前記［４］又は［５］に記載のプラズマ発生電極。

［７］ 前記接続端子が、前記電極の前記固定端部に施された導電層メッキから形成されたものである前記［４］に記載のプラズマ発生電極。

［８］ 前記［１］〜［７］のいずれかに記載のプラズマ発生電極と、所定の成分を含むガスの流路となるケース体とを備えてなり、前記ガスが前記ケース体の内部に導入されたときに、前記プラズマ発生電極によって発生させたプラズマにより前記ガスに含まれる前記所定の成分を反応させることが可能なプラズマ反応器。

［９］ 前記ケース体の前記流路の、前記プラズマ発生電極が配置された位置より上流側に、隔壁によって区画された複数のセルを有するハニカム構造体をさらに備えてなる前記［８］に記載のプラズマ反応器。

このように、保持部材が、全体として電極のそれぞれを、互い違いに向きの異なった片持ち梁の状態で、所定間隔に隔てて保持してなることから、例えば、自動車のエンジンから排出される高温の排気ガスによって、プラズマ発生電極が高温に加熱されたり、局所的に温度差が生じた場合であっても、その熱応力を緩和して、それぞれの電極の歪みや破損を有効に防止することが可能となる。さらに、プラズマ反応器は、このようなプラズマ発生電極を備えていることから、均一かつ安定なプラズマを発生させることが可能であるとともに、耐熱性に優れたものとなる。

図１は、本発明のプラズマ発生電極の一の実施の形態の構成を示す模式図である。 図２は、本発明のプラズマ発生電極の一の実施の形態に用いられる電極の内部を模式的に示す模式図である。 図３は、プラズマ発生電極の他の例を示す模式図である。 図４は、本発明のプラズマ発生電極の他の実施の形態の構成を示す模式図である。 図５は、本発明のプラズマ発生電極の一の実施の形態を構成する保持部材と電極の端部とを拡大した拡大図である。 図６は、本発明のプラズマ発生電極の他の実施の形態の構成を示す模式図である。 図７は、本発明のプラズマ発生電極の他の実施の形態の構成を示す模式図である。 図８は、本発明のプラズマ発生電極の他の実施の形態の構成を示す模式図である。 図９は、本発明のプラズマ反応器の一の実施の形態における、ガスの流れ方向に垂直で、かつプラズマ発生電極を構成する電極の表面に垂直な平面で切断した断面図である。 図１０は、本発明のプラズマ反応器の他の実施の形態の構成を示す模式図である。 図１１は、本発明のプラズマ反応器の他の実施の形態における、ガスの流れ方向を含み、かつプラズマ発生電極を構成する電極の表面に垂直な平面で切断した断面図である。

以下、図面を参照して、本発明のプラズマ発生電極及びプラズマ反応器の実施の形態について詳細に説明するが、本発明は、これに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。

図１は、本発明のプラズマ発生電極の一の実施の形態の構成を示す模式図であり、図２は、一の実施の形態に用いられる電極の内部の構成を示す模式図である。図３及び図４は、本発明のプラズマ発生電極の他の実施の形態の構成を示す模式図であり、図５は、一の実施の形態のプラズマ発生電極を構成する保持部材と電極の端部とを拡大した拡大図である。

図１に示すように一の実施の形態のプラズマ発生電極１は、互いに対向する二以上の電極２と、電極２のそれぞれを所定間隔に隔てて保持する保持部材３とを備えてなり、電極２相互間に電圧を印加することによってプラズマを発生させることが可能なプラズマ発生電極１であって、互いに対向する電極２のうちの少なくとも一方が、図１及び図２に示すように、誘電体となる板状のセラミック体６と、セラミック体６の内部に配設された導電膜７とを有するとともに、保持部材３が、対向する電極２のそれぞれの反対側の端部５（固定端部５ａ）を片持ち梁の状態で固定して、全体として電極２のそれぞれを、互い違いに向きの異なった片持ち梁の状態で、所定間隔に隔てて保持してなるものである。なお、図１に示したプラズマ発生電極１においては、１０枚の電極２が保持部材３によって保持されているが、プラズマ発生電極１を構成する電極２の数はこれに限定されることはない。

本実施の形態のプラズマ発生電極１は、電極２相互間に電圧を印加することによって、互いに対向する電極２間にプラズマを発生させることが可能であり、例えば、この対向する電極２間に、プラズマによって反応しうる成分を含むガスを通気することで、その成分を反応させることができる。

本実施の形態のプラズマ発生電極１は、保持部材３が、対向する電極２の固定端部５ａを片持ち梁の状態で挟持して固定して、電極２のそれぞれを、互い違いに向きの異なった片持ち梁の状態で、所定間隔に隔てて保持してなることから、従来の、電極の両端部が固定された状態で保持されているプラズマ発生電極と比較して、熱応力が緩和されており、例えば、熱膨張等に伴うそれぞれの電極２の歪みや破損を有効に防止することができる。また、対向する電極２のそれぞれが、熱膨張率の異なる材料から形成されている場合であっても、それぞれの電極２において、その熱膨張が抑制されることがないために、歪みや破損を有効に防止することができる。

図１に示したプラズマ発生電極１は、全ての電極２が、誘電体となる板状のセラミック体６と、セラミック体６の内部に配設された導電膜７とを有しているが、本発明においては、少なくとも一方の電極２が、誘電体となる板状のセラミック体６と、セラミック体６の内部に配設された導電膜７とを有していればよい。このように本実施の形態のプラズマ発生電極１においては、その少なくとも一方の電極が、セラミック体６と導電膜７とを有した、所謂、バリア放電型の電極であることも特徴である。このバリア放電型の電極を用いていることから、互いに対向する電極相互間に均一なプラズマを発生させることができ、電極相互間に生じたプラズマ内に所定の成分を含むガスを通過させて反応させるプラズマ反応器、例えば、空気等に含まれる酸素を反応させてオゾンを精製するオゾナイザや排気ガスを処理する排気ガス処理装置等として好適に用いることができる。なお、対向する電極の一方がバリア放電型の電極である場合には、他方の電極の構成については特に限定されることはなく、図示は省略するが、従来公知の電極、例えば、導電性を有する金属から形成された板状の電極等を用いることができる。

また、本実施の形態のプラズマ発生電極１は、保持部材３が、固定端部５ａとは反対側の自由端部５ｂと対向するそれぞれの表面に、自由端部５ｂが所定の隙間を持って挿入される、多数の第一の溝部４を有してなるものである。

このように、保持部材３が第一の溝部４を有し、この第一の溝部４に、自由端部５ｂが所定の隙間を持って挿入される構成とすることによって、集中した放電が生じ易い自由端部５ｂの角（エッジ）を第一の溝部４によって覆い、電極２相互間に不均一なプラズマが発生することを有効に防止することができる。また、振動によって電極２の自由端部５ｂが揺れ動くことがあるが、第一の溝部４によって自由端部５ｂの振幅を制限することができるために、電極２の破損を有効に防止することができる。さらに、プラズマ発生電極１を構成する電極２は、少なくとも一方の電極２（図１においては全部の電極２）が、セラミック体６とその内部に配設された導電膜７とを有しているが、その自由端部５ｂの先端まで導電膜７が配設されていない場合があるために、自由端部５ｂの先端を第一の溝部４に挿入して、自由端部５ｂの先端以外の領域で放電を起こさせて、電極２相互間の全面に均等なプラズマを発生させることができる。

例えば、一般的なプラズマ発生電極として、図３に示すように、プラズマ発生電極１を構成する保持部材３が、自由端部５ｂと対向する表面が平面状に形成されてなり、それぞれの電極２の固定端部５ａを単に挟持するものもある。

また、図１に示すように、本実施の形態のプラズマ発生電極１は、複数の保持部材３が、それぞれ電極２の固定端部５ａを挟持するように固定しているが、例えば、他の実施の形態として、図６に示すように、保持部材４３が、互いに相補的な形状の、第一の溝部４４を櫛歯とする一体的な第一の櫛形部材４７と、第二の溝部４６を櫛歯とする一体的な第二の櫛形部材４８とから構成され、第一の櫛形部材４７の第一の溝部４４に電極４２の自由端部４５ｂが挿入されてなるとともに、第二の櫛形部材４８の第二の溝部４６に電極４２の固定端部４５ａが片持ち梁の状態で固定されてなるプラズマ発生電極４１を挙げることができる。このように構成することによって電極４２の固定が容易になる。なお、図６に示す電極４２は、図１に示したプラズマ発生電極１を構成する電極２と同様のものを好適に用いることができる。

図６に示すプラズマ発生電極４１においては、電極４２のそれぞれの固定端部４５ａが、第二の櫛形部材４８の第二の溝部４６に、接着剤４９によって片持ち梁の状態で固定されてなることが好ましい。

この接着剤４９としては、例えば、有機溶剤又は水性溶剤に、アルミナやシリカの粉末を溶かした溶液又はスラリーを好適に用いることができる。このように構成された接着剤４９を用いる際には、第二の櫛形部材４８の第二の溝部４６と、対向する電極４２の固定端部４５ａとの間に接着剤４９を充填し、その後、一定の温度で乾燥して固めることが好ましい。

また、本実施の形態においては、図１に示すように、保持部材３が第一の溝部４を有する場合には、その略中央部分で二つに分離するように構成されていてもよい。このように構成することによって、保持部材３を構成する第一の溝部４を容易に形成することができるとともに、その第一の溝部４に、対応する電極２の自由端部５ｂを容易に挿入することができる。もちろん、図４に示すように、プラズマ発生電極１を構成する保持部材３が一つの部材から構成され、この保持部材３が、それぞれの電極２を互い違いに片持ち梁の状態で保持してなるものであってもよい。

図１及び図５に示すように、保持部材３の固定端部５ａを固定する部分の長さＬ１は、２〜４０ｍｍであることが好ましい。固定する部分の長さＬ１が２ｍｍ未満であると、電極２の固定端部５ａを固定して保持する際に、それぞれの電極２が平行になるように保持することが困難になることがある。また、固定する部分の長さＬ１が４０ｍｍを超えると、放電に関与しない部分の長さが大きくなりすぎて、プラズマ発生電極１が大型化し、自動車等に設置する場合に大きさや質量等の面で許容される範囲を超えてしまうことがある。

また、電極２の自由端部５ｂの先端と、保持部材３の表面（保持部材３が第一の溝部４を有する場合には、第一の溝部４の、自由端部５ｂの先端と対向する表面）との間隔ａ１は、電極２が熱膨張した際に、電極２の自由端部５ｂの先端と保持部材３の表面とが接触して互いの熱膨張が抑制されて不要な熱応力が生じることのないように、例えば、互いに対向する電極２のそれぞれの熱膨張係数（０〜６００℃）がＴＥ１，ＴＥ２であり、熱膨張係数がＴＥ１の電極２の固定端部５ａから自由端部５ｂまでの長さがＢである場合には、下記式（１）の関係を満足するように構成することが好ましい。
ａｂｓ（ＴＥ１−ＴＥ２）×６００×Ｂ＜ａ１…（１）

また、保持部材３が第一の溝部４を有する場合には、第一の溝部４の深さＬ２は、１〜２０ｍｍであることが好ましい。この第一の溝部４の深さＬ２が１ｍｍ未満であると、振動による電極２の衝突時に、第一の溝部４の側面に当たる面積が小さすぎ、磨耗損が過大となることがある。また、この第一の溝部４の深さＬ２が２０ｍｍを超えると、放電空間の大きさに対する、電極２全体の大きさが大きくなりすぎ、搭載性、重量等の面で許容される範囲を超える恐れがあり、また、電極２の変形自由度が小さくなり拘束低減効果を十分に得られなくなることがある。

また、保持部材３が第一の溝部４を有する場合には、電極２の自由端部５ｂの側面と、第一の溝部４の自由端部５ｂの側面と対向する表面との間隔ａ２が、０．０２〜０．６ｍｍであることが好ましく、０．０２〜０．１ｍｍであることがさらに好ましい。この間隔ａ２が、０．２ｍｍ未満であると、電極２が熱膨張した際に、自由端部５ｂの側面が第一の溝部４によって拘束され、熱応力を緩和する効果を得ることができなくなる恐れがある。また、この隙間ａ２が、０．６ｍｍを超えると、使用環境下での振動による電極２の振動振幅が過大になり、繰り返し疲労による電極２の劣化が増加することがある。また、電極２が振動により繰り返し第一の溝部４の内表面に衝突する際の衝突速度が過大になり、電極２の磨耗を生じることがある。

また、保持部材３が第一の溝部４を有する場合には、第一の溝部４は、その内部の応力集中を低減するために、第一の溝部４を構成する内表面の角に相当する部位Ｒ１が、所定の曲率を有するように形成されていることが好ましい。この内表面の角に相当する部位Ｒ１の曲率半径の大きさは特に限定されることはないが、例えば、曲率半径が０．１〜０．５ｍｍであることが好ましい。

また、電極２の自由端部５ｂの先端は、熱膨張時に、挿入した第一の溝部４との干渉を避けるために、その角部Ｃ１が面取りされていることが好ましい。角部Ｃ１の面取りの大きさは特に限定されることはないが、一辺の長さが０．１〜０．５ｍｍであることが好ましい。また、この角部Ｃ１が、曲率を有するように形成されていてもよい。

また、第一の溝部４の外周部分の形状は、振動による電極２の繰り返し衝突によるチッピング防止のため、その角部Ｃ２が面取りされていることが好ましい。角部Ｃ２の面取りの大きさは特に限定されることはないが、一辺の長さが０．１〜１ｍｍであることが好ましい。また、この角部Ｃ２が、曲率を有するように形成されていてもよい。

本実施の形態に用いられる保持部材３は、その主成分が、アルミナ、窒化珪素、サイアロン、コージェライト、ムライトであることが好ましい。なお、本実施の形態において、主成分とは、成分の６０質量％以上を占めるものをいう。このような保持部材３は、局所沿面放電の防止の観点から、電気絶縁性のあることが好ましく、また、熱応力による破損を避けるため、熱膨張係数は低いことが好ましい。

また、図１に示すように、本実施の形態のプラズマ発生電極１を構成する電極２に用いられる導電膜７は、導電性に優れた金属を主成分とすることが好ましく、例えば、導電膜７の主成分としては、タングステン、モリブデン、マンガン、クロム、チタン、ジルコニウム、ニッケル、鉄、銀、銅、白金、及びパラジウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属を好適例として挙げることができる。なお、本実施の形態において、主成分とは、成分の６０質量％以上を占めるものをいう。なお、導電膜７が、上述した群のうち二種類以上の金属を主成分として含む場合には、それら金属の総和が、成分の６０質量％以上を占めるものとする。

また、この導電膜７の厚さとしては、プラズマ発生電極１の小型化及び排気ガス等を処理する場合に、電極２相互間を通過させる流体の抵抗を低減させる等の理由から、０．０１〜０．１ｍｍであることが好ましく、さらに、０．０１〜０．０１５ｍｍであることが好ましい。

上述した導電膜７は、テープ状のセラミック成形体に塗工されて配設されたものであることが好ましく、具体的な塗工の方法としては、例えば、スクリーン印刷、カレンダーロール、スプレー、静電塗装、ディップ、ナイフコータ、化学蒸着、又は物理蒸着等を好適例として挙げることができる。このような方法によれば、塗工後の表面の平滑性に優れ、かつ厚さの薄い導電膜７を容易に形成することができる。

導電膜７をテープ状のセラミック成形体に塗工する際には、導電膜７の主成分として挙げた金属の粉末と、有機バインダと、テルピネオール等の溶剤とを混合して導体ペーストを形成し、上述した方法でテープ状のセラミック成形体に塗工することで形成することができる。また、テープ状のセラミック成形体との密着性及び焼結性を向上させるべく、必要に応じて上述した導体ペーストに添加剤を加えてもよい。

導電膜７の金属成分にセラミック体６と同じ成分を添加することにより、導電膜７とセラミック体６との密着性を良くすることが可能となる。また、金属成分に添加するセラミック体成分にガラス成分を加えることもできる。ガラス成分の添加により、導電膜７の焼結性を向上し、密着性に加え緻密性が向上する。金属成分以外のセラミック体６の成分及び／又はガラス成分の総和は、３０％質量以下が好ましい。３０質量％を超えると、抵抗値が下がり、導電膜７としての機能が得られないことがある。

また、電極２を構成する板状のセラミック体６は、上述したように誘電体としての機能を有するものであり、導電膜７が板状のセラミック体６の内部に配設された状態で用いられることにより、導電膜７単独で放電を行う場合と比較して、スパーク等の片寄った放電を減少させ、小さな放電を複数の箇所で生じさせることが可能となる。このような複数の小さな放電は、スパーク等の放電に比して流れる電流が少ないために、消費電力を削減することができ、さらに、誘電体が存在することにより、電極２相互間に流れる電流が制限されて、温度上昇を伴わない消費エネルギーの少ないノンサーマルプラズマを発生させることができる。

板状のセラミック体６は、誘電率の高い材料を主成分とすることが好ましく、例えば、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化珪素、コージェライト、ムライト、チタン−バリウム系酸化物、マグネシウム−カルシウム−チタン系酸化物、バリウム−チタン−亜鉛系酸化物、窒化珪素、窒化アルミニウム等を好適に用いることができる。耐熱衝撃性に優れた材料を主成分とすることによって、プラズマ発生電極１を高温条件下においても運用することが可能となる。また、誘電率の高い材料を用いた場合、放電効率が高いために、電極２の大きさを小さくすることが可能となり、熱膨張が高いことによる熱応力の発生を減少させることができる。

また、板状のセラミック体６をテープ状のセラミック成形体で形成する場合のテープ状のセラミック成形体の厚さについては、特に限定されることはないが、０．１〜３ｍｍであることが好ましい。テープ状のセラミック成形体の厚さが、０．１ｍｍ未満であると、電極２相互間の電気絶縁性を確保することができないことがある。また、テープ状のセラミック成形体の厚さが３ｍｍを超えると、誘電体として必要とされる厚さを超えて省スペース化の妨げになることがある。

テープ状のセラミック成形体は、セラミック基板用のセラミックグリーンシートを好適に用いることができる。このセラミックグリーンシートは、グリーンシート製作用のスラリー又はペーストを、ドクターブレード法、カレンダー法、印刷法、リバースロールコータ法等の従来公知の手法に従って、所定の厚さとなるように成形して形成することができる。このようにして形成されたセラミックグリーンシートは、切断、切削、打ち抜き、連通孔の形成等の加工を施したり、複数枚のグリーンシートを積層した状態で熱圧着等によって一体的な積層物として用いてもよい。

上述したグリーンシート製作用のスラリー又はペーストは、所定のセラミック粉末に適当なバインダ、焼結助剤、可塑剤、分散剤、有機溶媒等を配合して調整したものを好適に用いることができ、例えば、このセラミック粉末としては、アルミナ、ムライト、コージェライト、窒化珪素、窒化アルミニウム、セラミックガラス、ガラス等の粉末を好適例として挙げることができる。また、焼結助剤としては、アルミナの場合は、酸化珪素、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム等を好適例として挙げることができる。なお、焼結助剤は、セラミック粉末１００質量部に対して、３〜１０質量部加えることが好ましい。可塑剤、分散剤及び有機溶媒については、従来公知の方法に用いられている可塑剤、分散剤及び有機溶媒を好適に用いることができる。

本実施の形態に用いられるセラミック体６は、押出成形で作製したセラミックシートを好適に用いることもできる。例えば、前述したセラミック粉末とメチルセルロース等の成形助剤や界面活性剤等を添加して調整した混練物を、所定の金型を通して押出された板状セラミック成形体を用いることもできる。

また、板状のセラミック体６の気孔率が、０．１〜３５％であることが好ましく、さらに０．１〜１０％であることが好ましい。このように構成することによって、互いに対向する電極２相互間に効率よくプラズマを発生させることが可能となり、省エネルギー化を実現することができる。

また、本実施の形態のプラズマ発生電極１は、図７に示すように、それぞれの電極２の固定端部５ａと電気的な接続を行うための接続端子１６をさらに備えたものであることが好ましい。このように構成することによって、放電を起こす空間に影響を与えることなく電気的な接続を確保することができる。また、この接続端子１６の主成分は、０〜６００℃における熱膨張係数が７×１０^−６（１／Ｋ）以下の金属であることが好ましい。このように構成することによって、電気的な接続をより確実に行うことができる。この構造を設けないと、接触の不良や、導電性の不足により、熱発生等の電気ロスを招いたり、プラズマ発生が充分に行えない等の問題を生じることがある。接続端子１６の材質としては、電極２を構成する誘電体の主成分の一つであるアルミナと熱膨張係数が近いことが好ましく、コバールやＮｉ−鉄系低熱膨張合金を好適例として挙げることができる。

また、この接続端子１６は、溶接接合、ロウ付け接合又は拡散接合によって、対向する電極２のそれぞれの固定端部５ａに接合されたものであることが好ましい。このように構成することによって、電気的な接合を確実に行うことができ、それが使用温度環境及び振動下において維持される強度特性を有する電気的な接合を実現できる。

また、図７に示すプラズマ発生電極１は、それぞれの電極２の固定端部５ａにそれぞれ接合された接続端子１６は、同一方向側に接続された接続端子１６に一度に通電を行うための集電部材１７ａ，１７ｂがそれぞれ配設されており、それぞれの電極２への通電を容易に行うことができるように構成されている。これらの集電部材１７はワイヤーメッシュ等の導電材料、例えば、ステンレスを好適に用いることができる。また、導電性を維持するために、集電部材１７に金メッキを施すことが好ましい。なお、一方の集電部材１７ａには電源１８が電気的に接続され、他方の集電部材１７ｂは接地されている。

また、接続端子１６は上述した構成のものに限られず、例えば、図８に示すように、接続端子１６が、電極２の固定端部５ａに施された導電層メッキから形成されたものであってもよい。導電層メッキから構成された接続端子１６は、図７に示した接続端子１６と同様の作用効果を得ることができる。また、図８に示すプラズマ発生電極１においても、固定端部５ａにそれぞれ接合された接続端子１６のうちの同一方向側に接続された接続端子１６に、一度に通電を行うための集電部材１７ａ，１７ｂがそれぞれ配設されており、一方の集電部材１７ａには電源１８が電気的に接続され、他方の集電部材１７ｂは接地されている。この集電部材１７は、図７に示した集電部材１７と同様のものを好適に用いることができる。

以下、本実施の形態のプラズマ発生電極の製造方法について具体的に説明する。

まず、上述したセラミック体となるセラミックグリーンシートを成形する。例えば、アルミナ、ムライト、セラミックガラス、ジルコニア、コージェライト、窒化珪素、窒化アルミニウム、及びガラス群から選ばれる少なくとも一種の材料に、焼結助剤や、ブチラール系樹脂やセルロース系樹脂等のバインダ、ＤＯＰやＤＢＰ等の可塑剤、トルエンやブタジエン等の有機溶媒等を加え、アルミナ製ポット及びアルミナ玉石を用いて十分に混合してグリーンシート用のスラリーを作製する。また、これらの材料を、モノボールによりボールミル混合して作製してもよい。

次に、得られたグリーンシート用のスラリーを、減圧下で攪拌して脱泡し、さらに所定の粘度となるように調整する。このように調整したグリーンシート用のスラリーをドクターブレード法等のテープ成形法によってテープ状に成形して未焼成セラミック体を形成する。

一方、得られた未焼成セラミック体の一方の表面に配設する導電膜を形成するための導体ペーストを調整する。この導体ペーストは、例えば、銀粉末にバインダ及びテルピネオール等の溶剤を加え、トリロールミルを用いて十分に混錬して調整することができる。

このようにして調整した導体ペーストを、未焼成セラミック体の表面にスクリーン印刷等を用いて印刷して、所定の形状の導電膜を形成する。なお、導電膜をセラミック体で挟持した後に、外部から導電膜に電気を供給することができるように、導電膜を未焼成セラミック体の外周部まで延設するように印刷して外部からの通電部分を確保しておく。

次に、導電膜を印刷した未焼成セラミック体と、他の未焼成セラミック体とを、印刷した導電膜を覆うようにして積層する。未焼成セラミック体を積層する際には、温度１００℃、圧力１０ＭＰａで押圧しながら積層することが好ましい。

次に、導電膜を挟持した状態で積層した未焼成セラミック体を焼成して、誘電体となる板状のセラミック体と、このセラミック体の内部に配設された、導電膜とを有してなる電極を形成する。

次に、得られた電極を保持するための保持部材を形成する。本実施の形態に用いられる保持部材は、最終焼成体としてのアルミナ含有率が９０％以上となるような、アルミナ原料粉末と有機バインダの混合粉体を金型プレス成型後、バインダ仮焼、本焼成し、必要に応じて研削加工により最終寸法仕上げを行う工程により製造できるが、これに限られるものではなく、必要強度を有するものであればよい。必要強度としては、ＪＩＳＲ１６０１の四点曲げ強度で３０ＭＰａ以上であることが好ましく、３００ＭＰａ以上であることがさらに好ましい。３０ＭＰａ未満では、保持部材の四方を固定するための固定マットの面圧による外力により、破損することがある。

上述した方法で得られた誘電体を有する電極と対向電極となる電極とを、得られた保持部材で、互い違いに向きの異なった片持ち梁の状態で保持してプラズマ発生電極を製造する。この際、対向電極となる電極は、上述した方法によって得られた誘電体を有する電極を用いてもよく、また、従来公知の電極を用いてもよい。また、保持部材によって電極を保持する場合には、この保持部材の第一の溝部に隣接する電極の自由端部を挿入した状態で各電極を保持する。

次に、本発明のプラズマ反応器の一の実施の形態について説明する。図９は、本発明のプラズマ反応器の一の実施の形態における、ガスの流れ方向に垂直で、かつプラズマ発生電極を構成する電極の表面に垂直な平面で切断した断面図である。

図９に示すように、本実施の形態のプラズマ反応器２１は、図１に示したような本発明のプラズマ発生電極の一の実施の形態（プラズマ発生電極１）と、所定の成分を含むガスの流路を有するケース体２２とを備えてなり、このガスがケース体２２の内部に導入されたときに、プラズマ発生電極１によって発生させたプラズマによりガスに含まれる所定の成分を反応させることが可能なものである。本実施の形態のプラズマ反応器２１は、排気ガス処理装置や、空気等に含まれる酸素を反応させてオゾンを精製するオゾナイザ等に好適に用いることができる。特に、本実施の形態のプラズマ反応器２１は、本発明のプラズマ発生電極の一の実施の形態（プラズマ発生電極１）を備えてなることから、熱応力が緩和されており、エンジンや焼却炉等から排出される高温の排気ガスを処理する処理装置等に特に好適に用いることができる。

本実施の形態のプラズマ反応器２１を構成するケース体２２の材料としては、特に制限はないが、例えば、優れた導電性を有するとともに、軽量かつ安価であり、熱膨張による変形の少ないフェライト系ステンレス等であることが好ましい。

また、本実施の形態のプラズマ反応器２１は、プラズマ発生電極１を構成するそれぞれの電極２を保持部材３が保持した状態で、各電極２の表面に垂直な方向に両端の電極２を押さえ付けて固定する押さえ部材２７と、プラズマ発生電極１の、排気ガス等が実際に通過する面以外の四面（上下左右）を固定する４つの枠体２３，２４，２５，２６とをさらに備えており、この押さえ部材２７と４つの枠体２３，２４，２５，２６とによってケース体２２の内部に配置されている。

押さえ部材２７としては、アルミナ、窒化珪素、サイアロン、ＳｉＣ、コージェライト、ムライト等を好適に用いることができ、枠体２３，２４，２５，２６としては、フェライト系ステンレス鋼、Ｎｉ−鉄系合金、コバール、インコネル、インコロイ等の低熱膨張金属、又は、アルミナ、窒化珪素、サイアロン、ＳｉＣ、コージェライト、ムライト等を主成分とするセラミックを好適に用いることができる。

また、枠体２３，２４，２５，２６とケース体２２との間には、枠体２３，２４，２５，２６を固定するための固定マット２８を介在させることが好ましい。固定マット２８は、絶縁性で耐熱性を有するシリカ繊維等の緩衝剤を好適に用いることができる。また、この固定マット２８は、０．１〜１ＭＰａ程度の圧力で枠体２３，２４，２５，２６を押圧していることが好ましい。なお、図９においては、１０枚の電極２から構成されたプラズマ発生電極１を示しているが、電極２の枚数はこれに限定されることはない。

また、プラズマ反応器２１を構成するプラズマ発生電極１が、図７及び図８に示すような接続端子１６及び集電部材１７を備えてなる場合には、図１０に示すように、プラズマ反応器２１が、ケース体２２の外部から集電部材１７への電気的な接続を行うための外部端子３０を備えてなることが好ましい。この外部端子３０は、外部端子３０の外側を構成する絶縁部３１と、外部端子３０の内側を構成する導電部３２と、プラズマ発生電極１の接続端子１６に接続された集電部材１７を押圧する押さえキャップ３３と、導電部３２の中心軸に設置された押さえキャップ３３を固定するための板バネ３４とから構成されている。このように構成された外部端子３０は、各部の温度差や、材料の熱膨張係数の違いによる熱膨張差や、振動等によりケース体２２とプラズマ発生電極１との相対的位置関係が変化する場合でも電気的な接続を維持することができる。

外部端子３０を構成する絶縁部３１は電気絶縁性に優れたアルミナ、ジルコン、窒化珪素、ＳｉＣ等を用いて形成することができ、また、導電部３２は導電性に優れたステンレス等を用いて形成することができる。押さえキャップ３３及び板バネ３４はステンレスを用いて形成することが好ましい。

また、図示は省略するが、本実施の形態のプラズマ反応器においては、プラズマ発生電極に電圧を印加するための電源をさらに備えていもよい。この電源については、プラズマを有効に発生させることができるような電気を供給することができるものであれば従来公知の電源を用いることができる。

また、本実施の形態のプラズマ反応器においては、上述したように電源を備えた構成とせずに、外部の電源から電流を供給するような構成としてもよい。

本実施の形態に用いられるプラズマ発生電極に供給する電流については、発生させるプラズマの強度によって適宜選択して決定することができる。例えば、プラズマ反応器を自動車の排気系中に設置する場合には、プラズマ発生電極に供給する電流が、電圧が１ｋＶ以上の直流電流、ピーク電圧が１ｋＶ以上かつ１秒あたりのパルス数が１００以上（１００Ｈｚ以上）であるパルス電流、ピーク電圧が１ｋＶ以上かつ周波数が１００以上（１００Ｈｚ以上）である交流電流、又はこれらのいずれか二つを重畳してなる電流であることが好ましい。このように構成することによって、効率よくプラズマを発生させることができる。

また、図１１に示すように、プラズマ反応器２１が、ケース体２２の流路の、プラズマ発生電極１が配置された位置より上流側に、隔壁によって区画された複数のセル３６を有するハニカム構造体３５を備えてなるものであってもよい。このように構成することによって、温度の高い排気ガス等を反応させる際に、ハニカム構造体３５の内部を一旦通過させることにより、プラズマ発生電極１の急激な温度変化を防止することができる。また、ハニカム構造体３５をフィルタとした場合には、排気ガス等に含まれる異物を除去し、プラズマ発生電極１の破損を防止することができる。ここで、図１１は、本実施の形態のプラズマ反応器２１における、ガスの流れ方向を含み、かつプラズマ発生電極１を構成する電極２の表面に垂直な平面で切断した断面図であり、図１１に示す矢印Ａはガスの流れ方向を示している。

このハニカム構造体３５の主成分は、コージェライト、アルミナ、ムライト、窒化珪素、サイアロン、及びジルコニアからなる群から選ばれる少なくとも一種のセラミック材料であることが好ましい。また、ハニカム構造体３５は、セル密度が１５〜１８６セル／ｃｍ^２であることが好ましく、４０〜７０セル／ｃｍ^２であることがさらに好ましい。セル密度が１５セル／ｃｍ^２未満であると異物除去の効果を得ることができないことがあり、１８６セル／ｃｍ^２を超えると目詰まりを生じることがある。また、気孔率が５〜３６％であることが好ましく、２０〜４０％であることがさらに好ましい。気孔率が３６％を超えると、熱容量が不充分になり、ガス温度平準化の効果が不充分となることがある、また、気孔率が５％未満であると、材料の剛性が高くなりすぎて熱応力に対する耐久性が不足することがある。また、リブ厚（隔壁の厚さ）は５０〜４００μｍであることが好ましく、その主成分はコージェライトであることが特に好ましい。

以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

互いに対向する電極が、誘電体となる板状のセラミック体と、セラミック体の内部に配設された導電膜とを有するとともに、保持部材が、対向する電極のそれぞれの反対側の端部（固定端部）を片持ち梁の状態で固定して、全体として電極のそれぞれを、互い違いに向きの異なった片持ち梁の状態で、所定間隔に隔てて保持してなるプラズマ発生電極と、所定の成分を含むガスの流路を有するケース体とを備えてなるプラズマ反応器（実施例１）を製造した。

本実施例のプラズマ反応器を構成するプラズマ発生電極に、電圧が３〜７ｋＶ、繰り返しパルス数が２００〜２０００回／秒のパルス電源を用いてプラズマを発生させた状態で、プラズマ反応器を構成するケース体の内部に、一酸化窒素濃度が２００ｐｐｍの試験ガスを、ガス温度を１０分間隔で、室温から６００℃に変化させ、空間速度（ＳＶ）が最大で４０万（１／ｈｒ）となるように、１時間通気した。

本実施例のプラズマ反応器を構成するプラズマ発生電極は、試験ガスを通気している間、温度変化に伴う熱膨張や収縮が盛んに生じていたが、各電極が片持ち梁の状態で保持されているために、熱応力が緩和されて破損等を生じることがなかった。また、本実施例のプラズマ反応器を通気させた試験ガスは、一酸化窒素濃度の約８５％が二酸化窒素へと酸化され、良好な結果を得ることができた。

また、本実施例のプラズマ反応器に、ガス流量が１Ｎｍ^３／ｍｉｎの条件で、プロパンガスバーナ燃焼ガス（ガス温度約７００℃）と冷却用空気（ガス温度約２０℃）とを１０分間隔で切り替えながら通気した。このような加熱、冷却の繰り返しの温度変化に対しても、熱応力による電極の破損は発生せず、本実施例のプラズマ反応器が、高温のガスを連続的又は断続的に処理することが可能なものであることが確認できた。

以上説明したように、本発明のプラズマ発生電極は、保持部材が、全体として電極のそれぞれを、互い違いに向きの異なった片持ち梁の状態で、所定間隔に隔てて保持してなることから、例えば、自動車のエンジンから排出される高温の排気ガスによって、局所的にプラズマ発生電極に温度差が生じた場合であっても、熱応力を緩和して、温度変化による電極の歪みや破損を有効に防止することができる。さらに、本発明のプラズマ反応器は、このようなプラズマ発生電極を備えていることから、均一かつ安定なプラズマを発生させることが可能であるとともに耐熱性に優れていることから、さまざまな種類のガスに対して使用することができる。

Claims (9)

1. 互いに対向する二以上の電極と、前記電極のそれぞれを所定間隔に隔てて保持する保持部材とを備えてなり、前記電極相互間に電圧を印加することによってプラズマを発生させることが可能なプラズマ発生電極であって、
   互いに対向する前記電極のうちの少なくとも一方が、誘電体となる板状のセラミック体と、前記セラミック体の内部に配設された導電膜とを有するとともに、
   前記保持部材が、対向する前記電極のそれぞれの反対側の端部（固定端部）を片持ち梁の状態で固定して、全体として前記電極のそれぞれを、互い違いに向きの異なった片持ち梁の状態で、前記所定間隔に隔てて保持してなるとともに、前記電極の前記固定端部とは反対側の自由端部と対向するそれぞれの表面に、前記自由端部が所定の隙間を持って挿入される、多数の第一の溝部を有してなるプラズマ発生電極。
2. 前記保持部材が、互いに相補的な形状の、前記第一の溝部を櫛歯とする一体的な第一の櫛形部材と、第二の溝部を櫛歯とする一体的な第二の櫛形部材とから構成され、前記第一の櫛形部材の前記第一の溝部に前記電極の前記自由端部が挿入されてなるとともに、前記第二の櫛形部材の前記第二の溝部に前記電極の前記固定端部が片持ち梁の状態で固定されてなる請求項１に記載のプラズマ発生電極。
3. 前記電極のそれぞれの前記固定端部が、前記第二の櫛形部材の前記第二の溝部に、接着材によって片持ち梁の状態で固定されてなる請求項２に記載のプラズマ発生電極。
4. 前記電極の前記固定端部と電気的な接続を行うための接続端子をさらに備えてなる請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ発生電極。
5. 前記接続端子の主成分が、０〜６００℃における熱膨張係数が７×１０^−６（１／Ｋ）以下の金属である請求項４に記載のプラズマ発生電極。
6. 前記接続端子が、溶接接合、ロウ付け接合又は拡散接合によって、前記電極の前記固定端部に接合されたものである請求項４又は５に記載のプラズマ発生電極。
7. 前記接続端子が、前記電極の前記固定端部に施された導電層メッキから形成されたものである請求項４に記載のプラズマ発生電極。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載のプラズマ発生電極と、所定の成分を含むガスの流路を有するケース体とを備えてなり、前記ガスが前記ケース体の内部に導入されたときに、前記プラズマ発生電極によって発生させたプラズマにより前記ガスに含まれる前記所定の成分を反応させることが可能なプラズマ反応器。
9. 前記ケース体の前記流路の、前記プラズマ発生電極より上流側に、隔壁によって区画された複数のセルを有するハニカム構造体をさらに備えてなる請求項８に記載のプラズマ反応器。

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