JP4474278B2 - 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、耐熱衝撃性に優れ、互いに対向する単位電極相互間の距離を小さくして、低い投入エネルギーで安定した高い電界強度のプラズマを発生させることが可能な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、オゾンを利用した空気清浄器や、エンジンや各種の焼却炉等から排出される排気ガスを、上述したプラズマ場内を通過させることによって、その排気ガスに含まれる有害成分、例えば、ＮＯ_x、カーボン微粒子（ＰＭ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）、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、特許文献１参照）。

このようなプラズマ反応器に用いられるプラズマ発生電極においては、図１０に示すように、二以上の板状の電極４１が、平行に対向配置した平行平板型のプラズマ発生電極４０である場合には、プラズマを発生させる空間を広く、かつ、発生させるプラズマの強度を強くするために、電極４１の厚さを薄くしつつ、互いに対向する電極４１相互間の距離の小さくすることが行われている。なお、図１０における符号４２は、導電体を示す。
特開２００１−１６４９２５号公報 米国特許出願公開第２００２／０１７４９３８号明細書

しかしながら、従来のプラズマ発生電極４０に用いられる電極４１の厚さを薄くしつつ、互いに対向する電極４１相互間の距離の小さくした場合には、一枚毎の電極４１の剛性が低下することから、振動によって破損し易くなるという問題があった。また、図示は省略するが、例えば、特許文献２に示すように、互いに対向する電極４１相互間を、電極４１両端以外の箇所で別途支持するような支持部材を配設することにより、上述した振動による破損をある程度減少させることは可能であるが、このように構成した場合には、熱応力に対する自由度が低下することから、誘電率の高いアルミナ等を電極材料に使用する場合、熱膨張率が高いため、熱衝撃によって破損し易くな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、耐熱衝撃性に優れ、互いに対向する単位電極相互間の距離を小さくして、低い投入エネルギーで安定した高い電界強度のプラズマを発生させることが可能なプラズマ発生電極及びプラズマ反応器を提供する。

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］互いに対向する二つ以上の単位電極を備え、前記単位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、前記単位電極が、板状の主電極と、前記主電極の少なくとも一方の表面に配設された一つ以上の支持部材と、前記主電極の前記表面から所定の隙間を空けた状態で、前記支持部材によって前記主電極と略平行に支持された一つ以上の板状の副電極とを有し、前記主電極が、少なくとも、板状の主セラミック誘電体と、前記主セラミック誘電体の内部に配設された主導電膜とから構成されるとともに、前記副電極が、少なくとも、板状の副セラミック誘電体と、前記副セラミック誘電体の内部に配設された副導電膜とから構成され、前記主電極の前記主導電膜と前記副電極の前記副導電膜とが、前記支持部材を介して電気的に接続され、且つ、前記主導電膜は、主セラミック誘電体の外部にまで延設して配設され、延設した主導電膜に外部と通電可能な端子が配設されてなり、互いに対向する一の前記単位電極の前記主電極と前記副電極との前記隙間に、対向する他の前記単位電極の前記副電極が配設されたプラズマ発生電極。

［２］前記支持部材が、前記主電極の両方の表面にそれぞれ一つ以上ずつ配設されるとともに、それぞれの前記支持部材によって複数の前記副電極がそれぞれ支持された前記［１］に記載のプラズマ発生電極。

［３］前記支持部材が、前記主電極の両方の表面にそれぞれ一つ以上ずつ配設されるとともに、それぞれの前記支持部材によって複数の前記副電極がそれぞれ支持された場合に、前記主電極の一方の表面と他方の表面とで、前記副電極が対称的に支持された前記［２］に記載のプラズマ発生電極。

［４］前記支持部材が、前記主電極の両方の表面にそれぞれ一つ以上ずつ配設されるとともに、それぞれの前記支持部材によって複数の前記副電極がそれぞれ支持された前記副電極毎に、それぞれ電気的に接続する二つの前記主導電膜を有する前記［２］又は［３］に記載のプラズマ発生電極。

［５］前記支持部材が、少なくとも、前記副電極を支持するための支持用セラミック誘電体と、前記主電極の前記主導電膜及び前記副電極の前記副導電膜を電気的に接続する接続用導電体とから構成された前記［１］〜［４］のいずれかに記載のプラズマ発生電極。

［６］前記［１］〜［５］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（ガス流路）を内部に有するケース体とを備え、前記ガスが前記ケース体の前記ガス流路に導入されたときに、前記プラズマ発生電極で発生したプラズマにより前記ガスに含まれる前記所定の成分が反応することが可能なプラズマ反応器。

［７］前記プラズマ発生電極に電圧を印加するための一つ以上のパルス電源をさらに備えた前記［６］に記載のプラズマ反応器。

［８］前記パルス電源が、その内部に少なくとも一つのＳＩサイリスタを有する前記［７］に記載のプラズマ反応器。

本発明のプラズマ発生電極は、耐熱衝撃性に優れ、互いに対向する単位電極相互間の距離を小さくして、低い投入エネルギーで安定した高い電界強度のプラズマを発生させることができる。また、本発明のプラズマ反応器は、上述したプラズマ発生電極を備えていることから、低い投入エネルギーで所定の成分を含むガスを有効に反応させることができる。

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を模式的に示す説明図であり、図２は、図１に示すプラズマ発生電極に用いられる単位電極を拡大した説明図である。図１及び図２に示すように、本実施の形態のプラズマ発生電極１は、互いに対向する二つ以上の単位電極２を備え、単位電極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、単位電極２が、板状の主電極３と、主電極３の少なくとも一方の表面に配設された一つ以上の支持部材５と、主電極３の表面から所定の隙間Ａを空けた状態で、支持部材５によって主電極３と略平行に支持された一つ以上の板状の副電極４とを有し、主電極３が、少なくとも、板状の主セラミック誘電体６と、主セラミック誘電体６の内部に配設された主導電膜７とから構成されるとともに、副電極４が、少なくとも、板状の副セラミック誘電体８と、副セラミック誘電体８の内部に配設された副導電膜９とから構成され、主電極３の主導電膜７と副電極４の副導電膜９とが、支持部材５を介して電気的に接続され、互いに対向する一の単位電極２の主電極３と副電極４との隙間に、対向する他の単位電極２の副電極４が配設されたものである。

本実施の形態のプラズマ発生電極１は、互いに対向する一の単位電極２の主電極３と副電極４との隙間Ａに、対向する他の単位電極２の副電極４が配設されており、副電極４の外周部分が拘束されていないため、熱膨張によって発生する応力が大幅に緩和され、耐熱衝撃性に優れたものとなり、対向する単位電極２相互間の距離を小さくして、低い投入エネルギーで安定した高い電界強度のプラズマを発生させることができる。このため、本実施の形態のプラズマ発生電極１は、所定の成分を含むガスを反応させるプラズマ反応器、例えば、自動車のエンジンや燃焼炉等から排出される排気ガスを処理する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。

単位電極２を構成する主電極３の形状については、板状であれば、その表面の形状については特に制限はないが、単位電極２の作製が容易であるとともに、プラズマ発生電極１の小型化を実現可能であること等の理由から、表面の形状が四角形であることが好ましい。

また、図１及び図２に示すように、本実施の形態のプラズマ発生電極１においては、互いに対向する一の単位電極２の主電極３と副電極４との隙間Ａに、対向する他の単位電極２の副電極４が配設され、複数の単位電極２が積み重なるように配設することが可能なものであれば、副電極４の形状については、板状であれば、その表面の形状については特に制限はないが、例えば、主電極３の表面の板状が長方形である場合には、副電極４の表面における一の辺の長さを主電極３と略同一とし、その一の辺に直交する他の辺の長さを主電極３より短くした長方形の板状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、互いに対向する二つの単位電極２を、互いにスライドさせるように対向配置させることにより、一の単位電極２の主電極３と副電極４との隙間Ａに対向する他の単位電極２の副電極４を簡便に配設すことが可能となり、プラズマ発生電極１の組立てが容易になる。

本実施の形態のプラズマ発生電極１においては、図１及び図２に示すように、主電極２の両方の表面に、支持部材５がそれぞれ一つ以上ずつ配設されるとともに、それぞれの支持部材５に対して、それぞれ副電極４が支持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、副電極４を多く配設することが可能となり、耐熱衝撃性をさらに向上させることができる。図１及び図２に示すプラズマ発生電極１においては、支持部材５がそれぞれ三つずつ配設され、副電極４がそれぞれの表面において三枚ずつ、即ち、一つの単位電極２に対して六枚支持されている。

また、上述したように支持部材５が、主電極３の両方の表面にそれぞれ一つ以上ずつ配設されるとともに、それぞれの支持部材５によって複数の副電極４がそれぞれ支持された場合に、主電極３の一方の表面と他方の表面とで、副電極４が対称的に支持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、単位電極２の構造が簡便になるとともに、複数の単位電極２を、互いに対向させなが組合わせる作業が簡便になる。

また、支持部材５が、主電極３の両方の表面にそれぞれ一つ以上ずつ配設されるとともに、それぞれの支持部材５によって複数の副電極４がそれぞれ支持された場合に、主電極３が、それぞれの表面で支持された副電極４毎に、それぞれ電気的に接続する二つの主導電膜７ａ，７ｂを有することが好ましい。このように、主電極３が二つの主導電膜７ａ，７ｂを有し、それぞれの表面で支持された副電極４ａ，４ｂ毎にそれぞれ電気的に接続する構成とすることにより、主電極３と副電極４との電気的な接続を、簡便、かつ確実に行うことができる。

さらに、図示は省略するが、本実施の形態のプラズマ発生電極においては、主電極を厚くして、副電極を薄くすることが好ましい。このように構成することによって、単位電極の剛性を高くした状態で、狭ギャップを構成することが可能となる。主電極と副電極の厚さを変えた場合、対向電極間の距離を、主電極と対向副電極、対向副電極と副電極、副電極と対向主電極の各々の導電膜間距離を同じに設定する必要がある。厚い主電極に二層の導電膜を設け、導体膜の表面からの距離を薄い副電極と同じ距離に設定することで、各々の導電膜間距離は等しくすることが可能となる。

本実施の形態のプラズマ発生電極１に用いられる主電極３を構成する板状の主セラミック誘電体６においては、誘電体として好適に用いることができるものであれば、その材料については特に限定されることはないが、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、ムライト、スピネル、コージェライト、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、及びバリウム−チタン系酸化物からなる群から選ばれる少なくとも一種の化合物を含むことが好ましい。このような化合物は、特に耐熱衝撃性に優れており、主セラミック誘電体６の材料として好適に用いることができる。この主セラミック誘電体６は、例えば、テープ状のセラミックグリーンシートや、押出成形で得られたシートを用いて形成することができる。また、粉末乾式プレスで作製した平板を用いても形成することができる。

本実施の形態のプラズマ発生電極１に用いられる主電極３を構成する主導電膜７は、互いに対向する単位電極２相互間に電圧を印加することによって、単位電極２相互間に有効に放電を起させることが可能なものであればよく、特に限定されることはないが、例えば、主導電膜７が、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含むことが好ましい。

また、主導電膜７を配設する方法については特に限定されることはないが、例えば、上述した金属を含むペーストを主セラミック誘電体６となるセラミックグリーンシートに塗工して形成、配設することが好ましい。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、インクジェット、化学蒸着、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、表面の平滑性に優れ、かつ厚さの薄い主導電膜７を容易に形成することができる。

本実施の形態のプラズマ発生電極１に用いられる副電極４を構成する副セラミック誘電体８は、主電極３を構成する主セラミック誘電体６と同様の材料を用いることができ、例えば、テープ状のセラミックグリーンシートや、押出成形で得られたシートを用いて形成することができる。また、副電極４を構成する副導電膜９についても、主電極３を構成する主導電膜７と同様の材料を用いることができ、例えば、副セラミック誘電体８となるセラミックグリーンシートに塗工して形成、配設することができる。

本実施の形態のプラズマ発生電極１に用いられる支持部材５は、少なくとも、副電極４を支持するための支持用セラミック誘電体２１と、主電極３の主導電膜７及び副電極４の副導電膜９を電気的に接続する接続用導電体２２とから構成されたものであることが好ましい。支持用セラミック誘電体２１による誘電体本来としての効果に加え、機械的強度に優れたセラミックによって副電極４を支持して破損を有効に防止することができる。

本実施の形態のプラズマ発生電極１に用いられる支持部材５は、例えば、一の表面から他の表面に貫通する貫通孔を穿設した帯状のセラミックグリーンシートを支持用セラミック誘電体２１とし、その貫通孔に、主導電膜と同様の材料の接続用導電体２２を充填したものを好適に用いることができる。この際、主セラミック誘電体６においても、この支持用セラミック誘電体２１の貫通孔に対応する位置に貫通孔を穿設し、それぞれの貫通孔を経由して主導電膜７と接続用導電体２２との電気的接続を確保するとともに、副セラミック誘電体８においても、この支持用セラミック誘電体２１の貫通孔に対応する位置に貫通孔を穿設し、それぞれの貫通孔を経由して副導電膜９と接続用導電体２２との電気的接続を確保することが好ましい。

さらに、本実施の形態のプラズマ発生電極１に用いられる単位電極２においては、単位電極２の外周部分の少なくとも一部で、互いに対向する単位電極相互間にプラズマを発生させるための空間を確保するために、互いに対向する単位電極を保持する保持部材１０をさらに有していることが好ましい。図１においては、単位電極２が、一対の端部のうちの片方で、互いに対向する一対の単位電極２を保持する保持部材１０をさらに有したプラズマ発生電極１を示している。また、図３及び図４に示すように、一対の端部のうちの両方で、互いに対向する一対の単位電極２を保持する保持部材１０をさらに有したプラズマ発生電極１であってもよい。図１に示すプラズマ発生電極１においては、単位電極２の片側の端部が開放されていることから、熱衝撃に対する耐久性に特に優れており、また、図３に示すプラズマ発生電極１においては、単位電極２を、両方の端部で保持していることから、振動等による衝撃に対する耐久性に特に優れている。なお、この保持部材１０は、単位電極２の端部において副電極４を支持する支持部材５と一体的に形成されたものとすることが可能であり、このように構成することによって、単位電極の構造を簡便にすることができる。ここで、図３は、本発明（第一の発明）のプラズマ発生電極の他の実施の形態を模式的に示す説明図であり、図４は、図３に示すプラズマ発生電極に用いられる単位電極を拡大した説明図である。なお、図３及び図４において、図１及び図２に示す各要素と同様に構成されているものについては、同一の符号を付して説明を省略する。

また、図１及び図２に示すように、本実施の形態のプラズマ発生電極１においては、単位電極２が，所定の電源から主導電膜７に電圧を印加してプラズマを発生させるために、主導電膜７が、単位電極２の少なくとも一方の端部において、外部との電気的な接続が確保されている。具体的には、例えば、単位電極２の外周部分の少なくとも一部において、主導電膜７を主セラミック誘電体６の外部にまで延設して配設し、延設した主導電膜７に外部と通電可能な端子を配設している。

本実施の形態のプラズマ発生電極１においては、主電極３及び副電極４の厚さや大きさ、主電極３と副電極４との隙間の大きさ等については、特に制限はないが、例えば、主電極の厚さに対する、副電極の厚さの割合が１以下であることが好ましい。副電極が主電極より厚くなると、構造的に不安定になる。主電極の厚さは、０．３〜３ｍｍ、副電極の厚さは、０．１〜１ｍｍであることがさらに好ましい。また、導体膜間に占める誘電体セラミックスの厚さに対する、対向する電極間の導体膜間距離の割合（以下、単に「導体膜間距離の割合」ということがある）が１．５以下であることが好ましい。導体膜間距離の割合が１．５を超えると、均一な放電を得る為に電圧を高くすると、絶縁破壊を生じることがある。なお、この対向する電極間の距離は、０．１〜３ｍｍであることがさらに好ましい。

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、プラズマ発生電極１を構成する主セラミック誘電体６及び副セラミック誘電体８（以下、単に「セラミック誘電体」ということがある）の形状に対応した、図５に示すような、主セラミック誘電体用セラミックグリーンシート３０ａ及び副セラミック誘電体用セラミックグリーンシート３０ｂ（以下、単に「セラミック誘電体用セラミックグリーンシート３０」ということがある）を形成する。

このセラミック誘電体用セラミックグリーンシート３０は、例えば、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製したスラリーを得、得られたスラリーを、例えば、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。スラリーに使用するセラミック粉末としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化珪素、ムライト、スピネル、コージェライト、窒化珪素、窒化アルミニウム等の粉末を好適に用いることができる。また、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く、可塑剤、分散剤及び有機溶媒については、従来公知のセラミックグリーンシートを形成するために用いられるスラリーに使用されている可塑剤、分散剤及び有機溶媒を好適に用いることができる。なお、このスラリーはペースト状であってもよい。スラリーを、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セラミックグリーンシートを形成してもよい。

なお、このようなセラミックグリーンシートを用いてセラミック誘電体を形成する場合には、二枚のセラミック誘電体用セラミックグリーンシート３０を重ね合わせて一つのセラミック誘電体を形成することが好ましく、例えば、セラミック誘電体として必要な厚さの半分の厚さのセラミック誘電体用セラミックグリーンシート３０を、二枚が一対となるように形成する。なお、副セラミック誘電体用セラミックグリーンシート３０ｂにおいては、支持用セラミック誘電体５（図１参照）に配設する組立工程が容易になるように、主電極３（図１参照）の同一側表面に配設されるものについては、それぞれが繋がった状態で一枚のセラミックグリーンシートとして形成し、この一枚のセラミックグリーンシートの組立が終了した後に、例えば、図５における一点破線に沿って切断し、不要な部分を除去して所定の大きさの副セラミック誘電体用セラミックグリーンシートとすることが好ましい。

また、このセラミック誘電体用セラミックグリーンシート３０と同様の材料から構成された、帯状の支持部材用セラミックグリーンシート３１を形成する。この支持部材用セラミックグリーンシート３１は、主電極３（図１参照）と副電極４（図１参照）とに隙間Ａ（図１参照）を形成するためのものであることから、例えば、複数枚のセラミックグリーンシートを複数枚重ねて、必要な厚さとなるように形成することが好ましい。

次に、主セラミック誘電体用セラミックグリーンシート３０ａ、副セラミック誘電体用セラミックグリーンシート３０ｂ、及び支持部材用セラミックグリーンシート３１に、主電極３（図１参照）と副電極４（図１参照）との電気的な接続を確保するための貫通孔３２を穿設する。なお、一対となる二枚のセラミック誘電体用セラミックグリーンシート３０においては、支持部材用セラミックグリーンシート３１を配設する側の表面に貫通孔３２を穿設すればよい。

一方、主導電膜３３ａ及び副導電膜３３ｂ（以下、単に「導電膜３３」ということがある）を形成するための導体ペーストを調製する。この導体ペーストは、例えば、モリブデン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練して得ることができる。なお、上述したセラミック誘電体用セラミックグリーンシート３０との密着性及び焼結性を向上させるべく、必要に応じて導体ペーストに添加剤を加えてもよい。

得られた導体ペーストを、一対の主セラミック誘電体用セラミックグリーンシート３０ａのうちの一方の表面に、例えば、スクリーン印刷等を用いて印刷して主導電膜３３ａを形成するとともに、一対の副セラミック誘電体用セラミックグリーンシート３０ｂのうちの一方の表面に、同様の方法によって副導電膜３３ｂを形成する。なお、図５に示すように、主セラミック誘電体用セラミックグリーンシート３０ａに主導電膜３３ａを形成する際には、その外周部分の少なくとも一部において、外部から電力を投入することができるように、主導電膜３３ａを主セラミック誘電体用セラミックグリーンシート３０ａの一の端部にまで延接して配接することが好ましい。また、副導電膜３３ｂについても、単位電極２（図１参照）における外側に位置するものについては、外部から直接電力を投入することができるように、副導電膜３３ｂを副セラミック誘電体用セラミックグリーンシート３０ｂの一の端部にまで延接して配設してもよい。

次に、印刷した導体ペーストを覆うように、一対のセラミック誘電体用セラミックグリーンシート３０のうちの他方を重ね合わせて、図６に示すように、未焼成主電極３５及び未焼成副電極３６を形成する。

次に、未焼成主電極３５の少なくとも一方の表面に支持部材用セラミックグリーンシート３１を配設し、さらに、配設した支持部材用セラミックグリーンシート３１に未焼成副電極３６を配設して組立てることにより未焼成単位電極３７を得る。この際、それぞれに穿設した貫通孔３２の位置を合わせて、それぞれ貫通孔３２に上述した導体ペーストを充填することにより、未焼成主電極３５と未焼成副電極３６との電気的な接続が行われるようにする。貫通孔３２への導体ペーストの充填は、未焼成主電極３５、未焼成副電極３６、及び支持部材用セラミックグリーンシート３１単独の状態で予め行っていてもよい。未焼成主電極３５と支持部材用セラミックグリーンシート３１との組立の際、また、未焼成副電極３６と支持部材用セラミックグリーンシート３１との組立の際には、例えば、温度１００℃、圧力１０ＭＰａで押圧しながら行うことが好ましい。なお、未焼成副電極３６を支持部材用セラミックグリーンシート３１に配設した後に、未焼成副電極３６を構成する副セラミック誘電体用セラミックグリーンシート３０ｂ（図５参照）における不要な部分を除去、即ち、図５における一点破線に沿って切断して未焼成副電極３６を分割する。

また、図５及び図６に示すように、互いに対向する単位電極２（図１参照）相互間にプラズマを発生させるための空間を確保するための保持部材用セラミックグリーンシート３４を作製し、未焼成副電極３６の、支持部材用セラミックグリーンシート３１によって支持された側とは反対側の表面の少なくとも一部に配設してもよい。

未焼成主電極３５の表面に支持部材用セラミックグリーンシート３１を配設する場合には、その両方の表面に対して行ってもよいが、組立時の未焼成主電極３５の変形を防止する等の観点から、図７及び図８に示すように、片側の表面に支持部材用セラミックグリーンシート３１を配設し、この支持部材用セラミックグリーンシート３１に未焼成副電極３６を配設した未焼成単位電極３７ａを二つ作製し、この二つの未焼成単位電極３７ａの、支持部材用セラミックグリーンシート３１を配設した表面とは反対側の表面同士を重ね合わせて一つの未焼成主電極３７として用いてもよい。このように構成することによって、組立時の未焼成主電極３５の変形を有効に防止することができるとともに、未焼成主電極３５が、それぞれの表面で支持された未焼成副電極３６毎に、それぞれ電気的に接続する二つの主導電膜３３ａを有することとなり、電気的な接続を、簡便、かつ確実に行うことができる。

また、上述した組立の工程においては、未焼成副電極３６を形成する前や、副導電膜３３ｂ（図５参照）を配設する前の、一対の副セラミック誘電体用セラミックグリーンシート３０ｂ（図５参照）のうちの一方に対して行ってもよい。この場合には、一対の副セラミック誘電体用セラミックグリーンシート３０ｂ（図５参照）のうちの一方に支持部材用セラミックグリーンシート３１を配設して組立を行った後に、この副セラミック誘電体用セラミックグリーンシート３０ｂ（図５参照）に副導電膜３３ｂ（図５参照）を配設し、その後、一対のうちの他方の副セラミック誘電体用セラミックグリーンシート３０ｂ（図５参照）を重ね合わせて未焼成副電極３６を形成する。このように構成することによって、副セラミック誘電体用セラミックグリーンシート３０ｂ（図５参照）に副導電膜３３ｂ（図５参照）を配設する際に、副セラミック誘電体用セラミックグリーンシート３０ｂ（図５参照）の貫通孔３２を経由して支持部材用セラミックグリーンシート３１の貫通孔３２に導体ペーストが充填されるため組立の工程が容易になる。

次に、このようにして得られた未焼成単位電極３７を焼成し、必要な枚数の単位電極２（図１参照）を形成する。

次に、図１に示すように、得られた単位電極２を、互いに対向する一の単位電極２の主電極３と副電極４との隙間Ａに、対向する他の単位電極２の副電極４を配設するように対向配置させて、本実施の形態のプラズマ発生電極１を製造する。なお、本実施の形態のプラズマ発生電極１を製造する方法は上記の製造方法に限定されることはない。

次に、本発明（第二の発明）のプラズマ反応器の一の実施の形態について具体的に説明する。図９（ａ）は、本発明のプラズマ反応器の一の実施の形態を、ガスの流れ方向に沿って、プラズマ発生電極の導電体の表面に垂直な平面で切断した断面図、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。

図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、本実施の形態のプラズマ反応器１１は、図１に示したような本発明（第一の発明）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（ガス流路１３）を内部に有するケース体１２とを備え、このガスがケース体１２のガス流路１３に導入されたときに、プラズマ発生電極１によって発生したプラズマによりガスに含まれる所定の成分が反応す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１１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、第一の発明の実施の形態であるプラズマ発生電極１は、図１に示すように、単位電極２が、板状の主電極３と、主電極３の少なくとも一方の表面に配設された一つ以上の支持部材５と、主電極３の表面から所定の隙間Ａを空けた状態で、支持部材５によって主電極３と略平行に支持された一つ以上の板状の副電極４とを有し、互いに対向する一の単位電極２の主電極３と副電極４との隙間Ａに、対向する他の単位電極２の副電極４が配設されたものであることから、耐熱衝撃性に優れるとともに、対向する単位電極２相互間の距離を短くして高い強度のプラズマを発生させることが可能であり、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好適に用いることができる。

図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、本実施の形態のプラズマ反応器１１を構成するケース体１２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、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てもよい。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電流を供給することが可能なものであれば、従来公知の電源を好適に用いることができる。また上述した電源としては、パルス電源であることが好ましく、この電源が、その内部に少なくとも一つのＳＩサイリスタを有することがさらに好ましい。このような電源を用いることによって、さらに効率よくプラズマを発生させることができる。

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ことが可能なようにコンセント等の通電用部品を備えた構成としてもよい。

プラズマ反応器を構成す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秒当たりのパルス数が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。

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。

純度が９３質量％の酸化アルミニウム粉末を用いて、セラミックグリーンシートを成形するためのスラリーを調製し、得られたスラリーを用いて、その表面の形状が、縦９２ｍｍ、横５０ｍｍの長方形で、厚さが０．１ｍｍの主セラミック誘電体用セラミックグリーンシートをテープ成形した。得られた主セラミック誘電体用セラミックグリーンシートは二枚を一対として使用し、その一対のうちの一方の主セラミック誘電体用セラミックグリーンシートの片側の表面に、タングステンを用いた導体ペーストを、縦８８ｍｍ、横４８ｍｍ、厚さ０．０１ｍｍとなるように印刷して、主導電膜を形成した。また、一対のうちの一方の主セラミック誘電体用セラミックグリーンシートには、表面の縦方向における一方の端部から３８ｍｍと６８ｍｍとの位置で、かつ横方向に略中心位置に、開口部直径が１ｍｍの貫通孔を穿設した。

このようにして得られた一対の主セラミック誘電体用セラミックグリーンシートを、主導電膜を覆うように重ね合わせて一体化させて未焼成主電極を作製した。この際、上述した貫通孔に主導電膜と同材質の導体ペーストを充填した。

次に、主セラミック誘電体用セラミックグリーンシートを成形したスラリーと同様のスラリーを用いて、支持部材用セラミックグリーンシートを成形した。この支持部材用セラミックグリーンシートは、主電極の縦方向の端部において支持するための、縦６ｍｍ、横５０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの支持部材用セラミックグリーンシートを二つ、主電極の縦方向の中間部において支持するための、縦４ｍｍ、横５０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの支持部材用セラミックグリーンシートを二つの合計４つの支持部材用セラミックグリーンシートを形成した。なお、これらの支持部材用セラミックグリーンシートは、厚さ０．５ｍｍのセラミックグリーンシートを二枚重ねて厚さを１．０ｍｍとした。なお、主電極の縦方向の中間部において支持するための支持部材用セラミックグリーンシートには、縦方向及び横方向における略中心部分に、開口部直径が１ｍｍの貫通孔を穿設した。

この四つの支持部材用セラミックグリーンシートを、未焼成主電極の縦方向の両端部に、端部を支持するための支持部材用セラミックグリーンシートを配設し、縦方向の一方の端部から３８ｍｍと６８ｍｍとの位置に、中間部を支持するための支持部材用セラミックグリーンシートを配設した。中間部を支持するための支持部材用セラミックグリーンシートを配設する際には、それぞれの貫通孔の位置を合わせるように配設し、その後、この支持部材用セラミックグリーンシートの貫通孔に主導電膜と同材質の導体ペーストを充填した。

次に、主セラミック誘電体用セラミックグリーンシートを成形したスラリーと同様のスラリーを用いて、表面の形状が、縦９２ｍｍ、横５０ｍｍの長方形で、その厚さが０．１ｍｍの副セラミック誘電体用セラミックグリーンシートをテープ成形した。この副セラミック誘電体用セラミックグリーンシートは、三つの副電極を一枚で形成したものであり、後の工程において、縦方向の一方の端部から１８ｍｍ、２４ｍｍ、５２ｍｍ、５８ｍｍ、８６ｍｍの位置で切断して三分割する。この副セラミック誘電体用セラミックグリーンシートについても、二枚を一対として使用し、その一対のうちの一方の副セラミック誘電体用セラミックグリーンシートの片側の表面に、表面の縦方向における一方の端部から３８ｍｍと６８ｍｍとの位置で、かつ横方向に略中心位置に、開口部直径が１ｍｍの貫通孔を穿設するとともに、タングステンを用いた導体ペーストを三箇所に分けて印刷して、三つの副導電膜（以下、それぞれの副導電膜を、第１の副導電膜、第２の副導電膜、及び第３の副導電膜ということがある）を形成した。三つの副導電膜は、副セラミック誘電体用セラミックグリーンシートの表面の縦方向に、縦１１ｍｍ、横４８ｍｍの第１の副導電膜と、縦２６ｍｍ、横４８ｍｍの第２の副導電膜と、縦２６ｍｍ、横４８ｍｍの第３の副導電膜とから構成されている。それぞれの副導電膜の厚さは０．０１ｍｍである。

このようにして得られた一対の副セラミック誘電体用セラミックグリーンシートを、三つの副導電膜を覆うように重ね合わせて一体化させて未焼成副電極を作製し、未焼成主電極に配設した支持部材用セラミックグリーンシートに、得られた未焼成副電極を配設して組合わせた。

また、主セラミック誘電体用セラミックグリーンシートを成形したスラリーと同様のスラリーを用いて、対向する単位電極を保持するための保持部材となる保持部材用セラミックグリーンシートを成形した。この保持部材用セラミックグリーンシートは、縦５ｍｍ、横５０ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍとし、未焼成副電極の縦方向の一方の端部に配設した。また、未焼成副電極は、上述したように、縦方向の一方の端部から１８ｍｍ、２４ｍｍ、５２ｍｍ、５８ｍｍ、８６ｍｍの位置で切断して三分割した。

次に、このようにして得られた、その一方に表面に未焼成副電極が配設された未焼成主電極を、二つを一組として、未焼成副電極が配設された表面とは反対側の表面を押圧しながら重ね合わせて未焼成単位電極を作製した。本実施例においては、この未焼成単位電極を、２０個作製した。

次に、得られた未焼成単位電極を、１４５０℃で焼成して単位電極を製造し、得られた単位電極を、一の単位電極の主電極と副電極との隙間に、対向する他の単位電極の副電極を配設するように、互いにスライドさせるように対向配置させてプラズマ発生電極を製造した。得られたプラズマ発生電極を、ＳＩサイリスタを有するパルス電源と接続するとともに、ステンレス（ＳＵＳ４３０）製のケース体の内部に配設してプラズマ反応器（実施例１）を製造した。

本実施例のプラズマ反応器に、空気を５Ｌ／ｍｉｎで通気し、オゾン生成試験を行った。４ｋＶ、１００ｍＪ、２ｋｐｐｓの条件で、プラズマ反応器のガス流路の出口にて１００ｇ／Ｎｍ³のオゾンが計測できた。

本発明のプラズマ発生電極及びプラズマ反応器は、耐熱衝撃性に優れるとともに、対向する単位電極相互間の距離を短くして高い強度のプラズマを発生させることができることから、空気清浄器や、排気ガス等に含まれる所定の成分を処理する排気ガス処理装置等に好適に用いることができる。

本発明（第一の発明）のプラズマ発生電極の一の実施の形態を模式的に示す説明図である。 図１に示すプラズマ発生電極に用いられる単位電極を拡大した説明図である。 本発明（第一の発明）のプラズマ発生電極の他の実施の形態を模式的に示す説明図である。 図３に示すプラズマ発生電極に用いられる単位電極を拡大した説明図である。 本発明（第一の発明）のプラズマ発生電極の一の実施の形態を製造する工程の一部を示す説明図である。 本発明（第一の発明）のプラズマ発生電極の一の実施の形態を製造する工程の一部を示す説明図である。 本発明（第一の発明）のプラズマ発生電極の一の実施の形態を製造する工程の一部を示す説明図である。 本発明（第一の発明）のプラズマ発生電極の一の実施の形態を製造する工程の一部を示す説明図である。 本発明（第二の発明）のプラズマ反応器の一の実施の形態を、ガスの流れ方向に沿って、プラズマ発生電極の導電体の表面に垂直な平面で切断した断面図である。 図９（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。 従来のプラズマ反応器に用いられるプラズマ発生電極を模式的に示す説明図である。

符号の説明

１…プラズマ発生電極、２…単位電極、３…主電極、４，４ａ，４ｂ…副電極、５…支持部材、６…主セラミック誘電体、７，７ａ，７ｂ…主導電膜、８…副セラミック誘電体、９…副導電膜、１０…保持部材、２１…支持用セラミック誘電体、２２…接続用導電体、３０ａ…主セラミック誘電体用セラミックグリーンシート、３０ｂ…副セラミック誘電体用セラミックグリーンシート、３１…支持部材用セラミックグリーンシート、３２…貫通孔、３３…導電膜、３３ａ…主導電膜、３３ｂ…副導電膜、３４…保持部材用セラミックグリーンシート、３５…未焼成主電極、３６…未焼成副電極、３７，３７ａ…未焼成単位電極、４０…プラズマ発生電極、４１…電極、４２…導電体、Ａ…隙間。

Claims (8)

1. 互いに対向する二つ以上の単位電極を備え、前記単位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、
   前記単位電極が、板状の主電極と、前記主電極の少なくとも一方の表面に配設された一つ以上の支持部材と、前記主電極の前記表面から所定の隙間を空けた状態で、前記支持部材によって前記主電極と略平行に支持された一つ以上の板状の副電極とを有し、
   前記主電極が、少なくとも、板状の主セラミック誘電体と、前記主セラミック誘電体の内部に配設された主導電膜とから構成されるとともに、前記副電極が、少なくとも、板状の副セラミック誘電体と、前記副セラミック誘電体の内部に配設された副導電膜とから構成され、
   前記主電極の前記主導電膜と前記副電極の前記副導電膜とが、前記支持部材を介して電気的に接続され、且つ、前記主導電膜は、主セラミック誘電体の外部にまで延設して配設され、延設した主導電膜に外部と通電可能な端子が配設されてなり、
   互いに対向する一の前記単位電極の前記主電極と前記副電極との前記隙間に、対向する他の前記単位電極の前記副電極が配設されたプラズマ発生電極。
2. 前記支持部材が、前記主電極の両方の表面にそれぞれ一つ以上ずつ配設されるとともに、それぞれの前記支持部材によって複数の前記副電極がそれぞれ支持された請求項１に記載のプラズマ発生電極。
3. 前記支持部材が、前記主電極の両方の表面にそれぞれ一つ以上ずつ配設されるとともに、それぞれの前記支持部材によって複数の前記副電極がそれぞれ支持された場合に、
   前記主電極の一方の表面と他方の表面とで、前記副電極が対称的に支持された請求項２に記載のプラズマ発生電極。
4. 前記支持部材が、前記主電極の両方の表面にそれぞれ一つ以上ずつ配設されるとともに、それぞれの前記支持部材によって複数の前記副電極がそれぞれ支持された場合に、
   前記主電極が、それぞれの表面で支持された前記副電極毎に、それぞれ電気的に接続する二つの前記主導電膜を有する請求項２又は３に記載のプラズマ発生電極。
5. 前記支持部材が、少なくとも、前記副電極を支持するための支持用セラミック誘電体と、前記主電極の前記主導電膜及び前記副電極の前記副導電膜を電気的に接続する接続用導電体とから構成された請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ発生電極。
6. 請求項１〜５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（ガス流路）を内部に有するケース体とを備え、前記ガスが前記ケース体の前記ガス流路に導入されたときに、前記プラズマ発生電極で発生したプラズマにより前記ガスに含まれる前記所定の成分が反応することが可能なプラズマ反応器。
7. 前記プラズマ発生電極に電圧を印加するための一つ以上のパルス電源をさらに備えた請求項６に記載のプラズマ反応器。
8. 前記パルス電源が、その内部に少なくとも一つのＳＩサイリスタを有する請求項７に記載のプラズマ反応器。

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