JP4634138B2 - 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、階層的に積層された複数の単位電極が、高精度かつ簡便に位置決めされてなるとともに、熱応力による歪み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、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、カーボン微粒子等の粒状物質（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は、例えば、セラミック誘電体の内部に導電体が印刷された電極が複数積層されたプラズマ発生電極を備えたものである。さらに、特許文献１には、電極相互間の間隔を調整しつつ、それぞれの電極を支持するセラミック板等の支持部材が電極と一体化したプラズマ発生電極が開示されている。
米国特許出願公開第２００２／０１７４９３８号明細書

しかしながら、特許文献１に開示されているセラミック板等の支持部材が電極と一体化したプラズマ発生電極は、同種のセラミック誘電体を有する電極を対向させる場合には、それぞれの電極を積層した構造に信頼性を有することができるが、対向する電極、即ち、極性の異なる電極相互において、それぞれの熱膨張率やヤング率が異なる場合には、それぞれの電極が熱応力によって歪んでしまうことや、振動等が加えられた場合に、複数積層されたそれぞれの電極の位置がずれてしまう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、階層的に積層された複数の単位電極が、高精度かつ簡便に位置決めされてなるとともに、熱応力による歪み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］極性の異なる二種類の板状の単位電極を複数備え、極性の異なる二種類の前記単位電極が間隔を隔てて階層的に積層されてなるとともに、互いに対向する前記単位電極相互間にプラズマを発生するための放電空間が形成されたプラズマ発生電極であって、極性の異なる二種類の前記単位電極のうち、同一極性である一方の極性の単位電極が、導電性を有する板状の導電体と、前記導電体を覆うように配設されたセラミック誘電体とを有し、前記一方の極性の単位電極の前記セラミック誘電体が、前記セラミック誘電体の少なくとも一方の表面の、前記放電空間が外部の空間と連通する方向に垂直な方向における少なくとも一方の端部に、互いに対向する前記単位電極相互間にプラズマを発生するための前記放電空間及び前記一方の極性の単位電極に対向する他方の極性の単位電極が配設される空間の少なくとも一部を形成し且つ前記一方の極性の単位電極を支持するための支持用突起を有し、前記セラミック誘電体と前記支持用突起とは一体となるように焼成されて形成されたものであるプラズマ発生電極（以下、「第一の発明」ということがある）。

［２］極性の異なる二種類の前記単位電極が、それぞれ異なる材料から構成されたものである前記［１］に記載のプラズマ発生電極。

［３］前記他方の極性の単位電極が、前記一方の極性の単位電極を構成する前記セラミック誘電体と熱膨張率及び／又はヤング率が異なる板状の部材から構成されたものである前記［１］又は［２］に記載のプラズマ発生電極。

［４］前記他方の極性の単位電極が、導電性を有する金属又は合金の板状の部材から構成されたものである前記［１］〜［３］のいずれかに記載のプラズマ発生電極。

［５］二つの前記一方の極性の単位電極のそれぞれに形成された前記支持用突起同士を当接させることにより、二つの前記一方の極性の単位電極同士が互いに支持されており、
前記支持用突起同士を当接させることによって形成された空間のうち、前記他方の極性の単位電極が配設される空間の間隔の厚さが、前記他方の極性の単位電極の厚さよりも大である前記［１］〜［４］のいずれかに記載のプラズマ発生電極。

［６］前記支持用突起の、前記放電空間を形成する表面から前記一の方向における前記端部の端面までの距離が、互いに対向する前記一方の極性の単位電極と前記他方の極性の単位電極との相互間の距離の５倍以上である前記［１］〜［５］のいずれかに記載のプラズマ発生電極。

［７］前記一方の極性の単位電極を構成する前記セラミック誘電体が、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前記［１］〜［６］のいずれかに記載のプラズマ発生電極。

［８］前記一方の極性の単位電極を構成する前記セラミック誘電体が、板状のセラミック部材と、前記支持用突起となる突起部材とを積層して形成してものである前記［１］〜［７］のいずれかに記載のプラズマ発生電極。

［９］前記一方の極性の単位電極を構成する前記導電体が、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前記［１］〜［８］のいずれかに記載のプラズマ発生電極。

［１０］前記［１］〜［９］のいずれかに記載のプラズマ発生電極と、ガスの流路となるガス流路を内部に有するケース体とを備え、前記ケース体の前記ガス流路にガスが導入されたときに、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成分を反応させることが可能なプラズマ反応器（以下、「第二の発明」ということがある）。

［１１］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［１０］に記載のプラズマ反応器。

［１２］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［１１］に記載のプラズマ反応器。

本発明のプラズマ発生電極は、階層的に積層された複数の単位電極が、高精度かつ簡便に位置決めされてなるとともに、熱応力による歪みが有効に防止されたものである。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、エンジンや各種の焼却炉等から排出される排気ガス等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（第一及び第二の発明）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。

まず、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について具体的に説明する。図１は、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における、単位電極の表面側からの平面図であり、図２は、図１に示すプラズマ発生電極を、単位電極の表面に垂直に切断した断面図であり、図３は、図１に示すプラズマ発生電極の単位電極を示す断面図である。図１〜図３に示すように、本実施の形態のプラズマ発生電極１は、極性の異なる二種類の板状の単位電極２，３を複数備え、極性の異なる二種類の単位電極２，３が間隔を隔てて階層的に交互に積層されてなるとともに、互いに対向する単位電極２，３相互間にプラズマを発生するための放電空間４が形成されたプラズマ発生電極１であって、極性の異なる二種類の単位電極２，３のうち、同一極性である一方の極性の単位電極２が、導電性を有する板状の導電体６と、導電体６を覆うように配設されたセラミック誘電体５とを有し、この一方の極性の単位電極２のセラミック誘電体５が、セラミック誘電体５の少なくとも一方の表面の、放電空間が外部の空間と連通する方向に垂直な方向（一の方向）における少なくとも一方の端部に、互いに対向する単位電極２，３相互間にプラズマを発生するための放電空間４及び一方の極性の単位電極２に対向する他方の極性の単位電極３が配設される空間の少なくとも一部を形成し且つ一方の極性の単位電極２を支持するための支持用突起７を有し、セラミック誘電体５と支持用突起７とは一体となるように焼成されて形成されたものである。なお、本実施の形態のプラズマ発生電極１における支持用突起７は、放電空間を形成するための部位７ａと、他方の極性の単位電極が配設される隙間を形成するための部位７ｂとから構成されている。

このように、本実施の形態のプラズマ発生電極１は、一方の極性の単位電極２のセラミック誘電体５が、セラミック誘電体５の少なくとも一方の表面の、一の方向（図１及び図２においては、放電空間４が外部の空間と連通する方向に垂直な方向）における少なくとも一方の端部に、互いに対向する単位電極２，３相互間にプラズマを発生するための放電空間４及び一方の極性の単位電極２に対向する他方の極性の単位電極３が配設される空間の少なくとも一部を形成し且つ一方の極性の単位電極２を支持するための支持用突起７が一体に形成されたものであり、この支持用突起７で、近接する二つの一方の極性の単位電極２ａ，２ｂ同士を支持している。このため、階層的に積層された複数の単位電極２，３が、高精度かつ簡便に位置決めされてなるとともに、単位電極２，３の熱応力による歪みが有効に防止される。

なお、本実施の形態のプラズマ発生電極１においては、極性の異なる二種類の単位電極２，３、即ち、一方の極性の単位電極２と他方の極性の単位電極３とが、それぞれ異なる材料から構成されたものであることが好ましい。このように、極性の異なる二種類の単位電極２，３が、それぞれ異なる材料から構成されたものである場合において、他方の極性の単位電極３については、一方の極性の単位電極２との間に電圧を印加することによって放電空間４にプラズマを発生させることが可能な電極であれば特に制限はない。具体的には、他方の極性の単位電極３が、一方の極性の単位電極２を構成するセラミック誘電体５と熱膨張率及び／又はヤング率が異なる板状の部材から構成されたものであることが好ましい。また、例えば、誘電率が異なるものであってもよい。このように極性の異なる二種類の単位電極２，３をそれぞれ異なる材料とすることにより、反応効率が高く、構造信頼性の優れたプラズマ発生電１極を安価に製造することができる。

この他方の極性の単位電極３は、例えば、導電性を有する金属又は合金の板状部材から構成された電極であってもよく、また、一方の極性の単位電極２と同様に、セラミックから構成されたセラミック誘電体（図示せず）と、セラミック誘電体（図示せず）の内部に配設された導電体（図示せず）とを有したものであってもよい。なお、他方の極性の単位電極３がセラミック誘電体（図示せず）を有するものとする場合には、他方の極性の単位電極３のセラミック誘電体（図示せず）の材料と、一方の極性の単位電極２のセラミック誘電体５の材料とが異なるものを用いることが好ましい。

また、本実施の形態のプラズマ発生電極１において、他方の極性の単位電極３が導電性を有する金属又は合金の板状部材から構成された電極である場合には、二次電子放出性能が高いセラミック誘電体５を備えた単位電極２を、電子放出側の電極とすることが好ましい。また、他方の極性の単位電極３もセラミック誘電体（図示せず）を有している場合には、互いに対向する単位電極２，３のうち、より二次電子放出性能の高いセラミックを材料としている電極を電子放出側の電極とすることが好ましい。

一方の極性の単位電極２のセラミック誘電体５は、機械的強度が比較的高く、セラミック誘電体５が、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、耐熱性に優れるとともに、反応効率の高いプラズマ発生電極１とすることができる。

本実施の形態に用いられるセラミック誘電体５は、テープ状の未焼成セラミック成形体、例えば、ドクターブレード法でテープ成形したセラミックグリーンシート等を用いて形成することができ、また、押出成形で得られたシートを用いても形成することができる。さらに、粉末乾式プレスで作製した平板を用いることも可能である。

一方の極性の単位電極２のセラミック誘電体５に形成された支持用突起７は、一体的に形成されたものであり、例えば、ドクターブレード法等のテープ成形法を用いて、セラミックグリーンシートと同様の材料、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材料から、支持用突起７となる所定の厚さの突起用部材を形成し、得られた突起用部材を上述したセラミックグリーンシートに積層し、セラミックグリーンシートと突起用部材とが一体となるように焼成することによって、セラミック誘電体５に所定の形状の支持用突起７を形成することができる。また、押出成形で得られたシートを突起用部材として用いても形成することができる。さらに、支持用突起７となる突起部分を、上述したセラミックグリーンシートを押出成形する際に同時に成形し、セラミック誘電体５に支持用突起７を形成してもよい。

本実施の形態のプラズマ発生電極１を構成する導電体６については、他方の極性の単位電極３との間に電圧を印加することによって、この単位電極２，３相互間に形状された放電空間４にプラズマを発生させることが可能な電極であれば特に制限はないが、例えば、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。

この導電体６を、セラミック誘電体５の内部に配設する方法については特に制限はないが、例えば、導電体６の好ましい材料として挙げた金属の粉末と、有機バインダーと、テルピネオール等の溶剤とを混合して調製した導体ペーストを、セラミック誘電体５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。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、所定の形状、好ましくは格子状に塗工して形成する容易であるとともに、表面の平滑性に優れ、かつ厚さの薄い導電体６を容易に形成することができる。

導電体６は、セラミック誘電体５の内部に配設されたものであるが、セラミック誘電体５の端部の少なくとも一部において、単位電極２の外部との電気的な接続を確保していることが好ましく、例えば、セラミック誘電体５の端部の少なくとも一部において、導電体６をセラミック誘電体５の外部まで延設して配設し、この延設して配設した部分によって外部との通電を確保したものであることが好ましい。

図１及び図２に示すプラズマ発生電極１においては、一方の極性の単位電極２のセラミック誘電体５における、他方の極性の単位電極３と対向する表面に、所定パターンで配設された所定厚さの複数の突条８を有している。この突条８は、放電空間４を区画することで、この放電空間４に発生するプラズマを安定したものとすることができる。さらに、この突条８は、単位電極２，３の変形を防止し、互いに対向する単位電極２，３相互間に均一なプラズマを発生させることができる。なお、この突条８は必ずしも必要なものではなく、例えば、図４及び図５に示すように、突条８（図１参照）が配設されていない一方の極性の単位電極１２を備えたプラズマ発生電極であってもよい。ここで、図４は、本発明のプラズマ発生電極の他の実施の形態を構成する単位電極の一例を示す断面図である。図５は、図４に示す単位電極の表面側からの平面図である。なお、図４及び図５において、図１〜図３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。

図１〜図３に示すプラズマ発生電極１においては、この突条８においても、一方の極性の単位電極２のセラミック誘電体５と一体的に形成されたものであることが好ましい。さらに、この突条８は、セラミック誘電体５と同様の材料、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材料から構成されたものであることが好ましい。

また、図１〜図３に示すプラズマ発生電極１においては、一方の極性の単位電極２の一の方向における両方の端部において、それぞれ支持用突起７が形成されており、この両方の端部において単位電極２を支持するものであるが、例えば、図６及び図７に示すように、一方の極性の単位電極２２，３２の一の方向における一方の端部においてのみ単位電極２２，３２を支持するプラズマ発生電極２１，３１であってもよい。

図６に示すプラズマ発生電極２１は、支持用突起２７，２８により一方の極性の単位電極２２を支持することによって形成された、他方の極性の単位電極３が配設される空間の、この他方の極性の単位電極３の厚さ方向における長さが、他方の極性の単位電極３の実際の厚さと同一、又は、他方の極性の単位電極３の実際の厚さよりも小である。このように構成されたプラズマ発生電極２１は、例えば、一方の極性の単位電極２２と他方の極性の単位電極３との熱膨張が異なる場合に、この一方の極性の単位電極２２と他方の極性の単位電極３との間に発生する熱膨張による応力を、支持用突起２８相互間の隙間によって抑制することができる。なお、図６においては、一の方向における一方の端部９側の支持用突起２７が放電空間４の幅に対応する厚さを有し、一方の端部９側の支持用突起２７で他方の極性の単位電極３を挟持して単位電極２２を支持しており、この一方の端部９側において他方の極性の単位電極３が固定されている。また、一の方向における他方の端部１０側の支持用突起２８は、近接する二つの一方の極性の単位電極２２ａ，２２ｂの支持用突起２８ａ，２８ｂ相互間に隙間ができるような厚さ、即ち、放電空間４の幅と他方の極性の単位電極３の半分の幅との合計よりも小さな厚さを有している。

また、図７に示すプラズマ発生電極３１は、支持用突起３７により一方の極性の単位電極３２を支持することによって形成された、他方の極性の単位電極３が配設される空間の、他方の極性の単位電極３の厚さ方向における長さが、他方の極性の単位電極３の厚さよりも大である。具体的には、一の方向における一方の端部９側の支持用突起３７が、放電空間４の幅と他方の極性の単位電極３の半分の幅との合計よりも大きな厚さを有したものであるとともに、一の方向における他方の端部１０側の支持用突起３８が、放電空間４の幅よりも小さな厚さを有したものである。このプラズマ発生電極３１は、近接する二つの一方の極性の単位電極３２における一方の端部９側に面圧を加えて、一方の端部側の支持用突起３７が互いに接触するようにして一方の極性の単位電極３２を支持している。なお、この他方の極性の単位電極３は、他方の端部１０側の端部で接続されており、図７に示すプラズマ発生電極３１においては、一方の極性の単位電極３２と他方の極性の単位電極３とが、それぞれ独立して支持されたものである。このプラズマ発生電極１は、他方の極性の単位電極３の両端が支持用突起３７により固定されておらず、一方の極性の単位電極３２と他方の極性の単位電極３との熱膨張率等が大きく異なる場合であっても、それぞれの単位電極２，３２が自由に伸縮することが可能であり、熱応力を効率的に逃がすことができる。なお、図６及び図７において、図１〜図３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。図６及び図７のプラズマ発生電極２１，３１は、図中の矢印の方向に応力を加えることにより、一方の極性の単位電極２２，３２を支持している。

また、従来のプラズマ発生電極において、単位電極を支持するための支持用部材が、セラミック誘電体に別途配設されたものである場合には、セラミック誘電体と支持用部材との接合面に沿面放電を生じることがあったが、図１及び図２に示すような本実施の形態のプラズマ発生電極１は、支持用突起７がセラミック誘電体５に一体に形成されているため、このような沿面放電の起こる可能性がある部分の面積が減少している。さらに、本実施の形態のプラズマ発生電極においては、この支持用突起７の、放電空間４を形成する表面から一の方向における端部の端面までの距離を、互いに対向する一方の極性の単位電極２と他方の極性の単位電極３との相互間の距離の５倍以上とすることにより、支持用突起７の表面に起こる沿面放電も有効に防止することができ、放電電圧を高くすることが可能となる。

また、図１〜図３に示すプラズマ発生電極１においては、一方の極性の単位電極２と他方の極性の単位電極３とが、それぞれ異なる方向の端部において電気的な接続が行われるように構成されたものであるが、例えば、図８及び図９に示すように、同一方向の端部において電気的な接続が行われるように構成されたプラズマ発生電極４１であってもよい。また、このプラズマ発生電極４１においては、一方の極性の単位電極４２と他方の極性の単位電極３とが、それぞれ独立して支持されたものであり、この他方の極性の単位電極３を、その配設された方向に平行に移動させることによって、一方の極性の単位電極３２から取り外すことができるように構成されている。

この図８及び図９に示すようなプラズマ発生電極４１においては、他方の極性の単位電極３が自由に取り外すことができるように構成されていることから、図１０に示すように、それぞれの一方の極性の単位電極４２の支持用突起４７を接続することによって、さらに一体化して一つの電極ユニット５０（一方の極性の電極ユニット）としてもよい。この一方の極性の単位電極４２によって構成された一方の極性の電極ユニット５０に、他方の極性の単位電極３（図９参照）を配設することにより、図９に示すようなプラズマ発生電極４１を作製することができる。一方の極性の単位電極４２を一つの電極ユニット５０（図１０参照）とすることにより、プラズマ発生電極４１の部品点数がさらに少なくなり組み立てが容易になる。また、全ての一方の極性の単位電極４２が一体化して構成されていることから、一方の極性の単位電極４２同士による位置ずれが防止され、他方の極性の単位電極３の位置決めについても高精度かつ簡便に行うことができる。さらに、このような電極ユニット５０は、支持用突起４７の表面が接続されていることから、例えば、金属の単位電極を対向配置させた場合でも、この支持用突起４７の表面に沿面放電が起こることがなく、放電電圧をより高くすることが可能となる。なお、図８〜図１０において、図１〜図３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。

このような電極ユニット５０を作製する際には、焼成前成型体を積層し、支持用突起４７の表面で接合し、一体化させた後に焼成して、一体焼成の電極ユニット５０を得ることができる。この際、支持用突起４７の接合面に、電極成分を含む接着用の促進剤を塗布することで、接合界面の信頼性を高くすることができる。プラズマ発生電極の使用温度が低く、負荷される応力条件も小さい仕様環境下であれば、焼成された単位電極４２を積層し、支持用突起４７の表面に電極材料の熱膨張に近い組成成分のガラス材料を塗布し、溶融接合することも可能である。

なお、図２に示すプラズマ発生電極１においては、他方の極性の単位電極３と対向するセラミック誘電体の両方の表面に、略同じ形状の支持用突起７が形成されたものを示しているが、例えば、図１１及び図１２に示すように、一方の極性の単位電極６２を構成するセラミック誘電体６５の一方の表面のみに支持用突起６７が形成されたプラズマ発生電極６１であってもよい。この支持用突起６７は、図３におけるセラミック誘電体５の両方の表面に形成された支持用突起７を一つに合わせた形状のものであり、図１１及び図１２に示す一方の極性の単位電極６２は、別の一方の極性の単位電極（図示せず）における支持用突起（図示せず）が形成されていない側の表面を、この支持用突起６７によって支持する。ここで、図１１は、本発明のプラズマ発生電極の他の実施の形態を構成する単位電極の一例を示す断面図であり、図１２は、図１１に示す単位電極を用いたプラズマ発生電極における、単位電極の表面側からの平面図である。

また、図１３及び図１４に示すように、一方の極性の単位電極７２を構成するセラミック誘電体７５のそれぞれの表面に形成される支持用突起７７の形状が異なるプラズマ発生電極７１であってもよい。このような、それぞれ形状の異なる支持用突起７７ａ，７７ｂは、図３におけるセラミック誘電体５の一方の表面の支持用突起７の一部を、その反対側の表面の支持用突起７に移設したような形状をしたものであり、図１３及び図１４に示す一方の極性の単位電極７２を複数積層することによって、それぞれ形状の異なる支持用突起７７ａと支持用突起７７ｂとが一組となり、所定の放電空間４（図２参照）を形成する。ここで、図１３は、本発明のプラズマ発生電極の他の実施の形態を構成する単位電極の一例を示す断面図であり、図１４は、図１３に示す単位電極を用いたプラズマ発生電極における、単位電極の表面側からの平面図である。なお、図１１〜図１４において、図１〜図３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。

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１５（ａ）は、本発明のプラズマ反応器の一の実施の形態を、プラズマ発生電極を構成する単位電極の表面に垂直に切断した断面図であり、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。

図１５（ａ）及び図１５（ｂ）に示すように、本実施の形態のプラズマ反応器５１は、図２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、ガスの流路（ガス流路５３）を内部に有するケース体５２とを備え、このガスがケース体５２のガス流路５３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５１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。これまでに説明したように、本実施の形態のプラズマ反応器５１に用いられるプラズマ発生電極１は、図２に示すように、一方の極性の単位電極２の支持用突起７が、セラミック誘電体５の一の方向における少なくとも一の端部において一体的に焼成されており、この一方の極性の単位電極２の支持用突起７で、近接する二つの一方の極性の単位電極２ａ，２ｂ同士を支持したものであるため、均一なプラズマを安定して発生させることができる。

図１５（ａ）及び図１５（ｂ）に示す、本実施の形態のプラズマ反応器５１を構成するケース体５２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。

まず、セラミック誘電体を作製するために、純度が９３質量％の酸化アルミニウム粉末を用いて、セラミック誘電体用のセラミックグリーンシート（セラミック誘電体用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整し、得られたスラリーを用いて、その表面の形状が、縦１２０ｍｍ、横５０ｍｍの長方形で、厚さが０．５ｍｍの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重ね合わせて一体化することによって使用するものとし、その一対のうちの一方の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７８ｍｍ、横４８ｍｍ、厚さ０．０１ｍｍとなるように印刷して、導電膜を形成した。導電膜を印刷する際は、導電膜への電気的接続を確保するために、印刷するセラミック誘電体用セラミックグリーンシート表面の端部の一部まで幅１０ｍｍで延設し、単位電極の端面中央部で長さ１０ｍｍの電極端子形成が可能な形状とした。

このようにして得られた一対のセラミック誘電体用セラミックグリーンシートを、印刷した導電膜を覆うように重ね合わせて一体化させて未焼成単位電極前駆体を作製した。

次に、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を成形したスラリーと同様のスラリーを用いて、プラズマ発生電極における放電空間を形成するための、第一突起形成用セラミックグリーンシートを成形した。この第一突起形成用セラミックグリーンシートは、縦２０ｍｍ、横５０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍであり、未焼成単位電極前駆体の両表面の、一の方向における両端の計４箇所に積層し一体化して、放電空間用突起付未焼成単位電極を得た。

次に、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及び第一突起形成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、対向する単位電極が配設される空間の少なくとも一部を形成するための第二突起形成用セラミックグリーンシートを成形した。この第二突起形成用セラミックグリーンシートを、一突起形成用セラミックグリーンシートの上に積層して一体化し、放電空間及びこの単位電極に対向する他の単位電極が配設される空間の少なくとも一部を形成するとともに、この単位電極を支持するための支持用突起が一体に形成された支持用突起付未焼成単位電極を得た。

なお、第二突起形成用セラミックグリーンシートは、作製する単位電極に電極端子が形成される側の端部と、その反対側の端部とで、それぞれ形状が異なるものとした。電極端子が形成される側の端部は、縦１５ｍｍ、横５０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのシートを二枚形成し、放電空間用突起付未焼成単位電極の両表面の一突起形成用セラミックグリーンシートの上に、それぞれ積層した。電極端子が形成される側と反対側の端部は、縦１０ｍｍ、横１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのシートを４枚形成し、放電空間用突起付未焼成単位電極の両面の端部の隅二箇所ずつ計４箇所に積層した。

次に、得られた未焼成単位電極を、１４５０℃で焼成して、図４に示すような、互いに対向する単位電極のうちの一方の極性の単位電極１２を製造した。このようにして得られた一方の極性の単位電極を、１０枚積層し、その間に縦９０ｍｍ、横５０ｍｍ、厚さ０．９ｍｍのステンレス単位電極（互いに対向する単位電極のうちの他方の極性の単位電極）を１０枚挟んで、図７に示すようなプラズマ発生電極３１を製造した。他方の極性の単位電極３としてのステンレス単位電極は、一方の極性の単位電極３２に配設した接続端子と反対側の端部が、幅１０ｍｍで長さ２０ｍｍで外方に突出しており、この部分が接続端子となっている。得られたプラズマ発生電極３１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を製造した。

このようにして製造したプラズマ反応器内に、６００℃のガスと室温のガスとを交互に送風する熱サイクル試験を１００サイクル行ったが、プラズマ反応器内のプラズマ発生電極に破損は認められず、１ｋｐｐｓ、１００ｍＪ負荷の放電試験が可能であった。

本発明のプラズマ発生電極は、階層的に積層された複数の単位電極が、高精度かつ簡便に位置決めされてなるとともに、熱応力による歪みが有効に防止されたものであり、例えば、空気清浄器や、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プラズマによって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。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、高い反応性を有するものとなる。

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における、単位電極の表面側からの平面図である。 図１に示すプラズマ発生電極を、単位電極の表面に垂直に切断した断面図である。 図１に示すプラズマ発生電極の単位電極を示す断面図である。 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構成する単位電極の一例を示す断面図である。 図４に示す単位電極の表面側からの平面図である。 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、単位電極の表面に垂直に切断した断面図である。 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、単位電極の表面に垂直に切断した断面図である。 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における、単位電極の表面側からの平面図である。 図８に示すプラズマ発生電極を、単位電極の表面に垂直に切断した断面図である。 一方の極性の単位電極から構成された電極ユニットを、単位電極の表面に垂直に切断した断面図である。 本発明のプラズマ発生電極の他の実施の形態を構成する単位電極の一例を示す断面図である。 図１１に示す単位電極を用いたプラズマ発生電極における、単位電極の表面側からの平面図である。 本発明のプラズマ発生電極の他の実施の形態を構成する単位電極の一例を示す断面図である。 図１３に示す単位電極を用いたプラズマ発生電極における、単位電極の表面側からの平面図である。 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、プラズマ発生電極を構成する単位電極の表面に垂直に切断した断面図である。 図１５（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。

符号の説明

１，１１，２１，３１，４１，６１，７１…プラズマ発生電極、２，２ａ，２ｂ，１２，２２，２２ａ，２２ｂ，３２，４２，６２，７２…一方の極性の単位電極（単位電極）、３…他方の極性の単位電極（単位電極）、４…放電空間、５，６５，７５…セラミック誘電体、６…導電体、７，２７，２８，２８ａ，２８ｂ，３７，４７，６７，７７，７７ａ，７７ｂ…支持用突起、７ａ…放電空間を形成するための部位、７ｂ…他方の極性の単位電極が配設される隙間を形成するための部位、８…突条、９…一の方向における一方の端部（一方の端部）、１０…一の方向における他方の端部（他方の端部）、５０…一方の極性の電極ユニット（電極ユニット）、５１…プラズマ反応器、５２…ケース体、５３…ガス流路。

Claims (12)

1. 極性の異なる二種類の板状の単位電極を複数備え、極性の異なる二種類の前記単位電極が間隔を隔てて階層的に積層されてなるとともに、互いに対向する前記単位電極相互間にプラズマを発生するための放電空間が形成されたプラズマ発生電極であって、
   極性の異なる二種類の前記単位電極のうち、同一極性である一方の極性の単位電極が、導電性を有する板状の導電体と、前記導電体を覆うように配設されたセラミック誘電体とを有し、
   前記一方の極性の単位電極の前記セラミック誘電体が、前記セラミック誘電体の少なくとも一方の表面の、前記放電空間が外部の空間と連通する方向に垂直な方向における少なくとも一方の端部に、互いに対向する前記単位電極相互間にプラズマを発生するための前記放電空間及び前記一方の極性の単位電極に対向する他方の極性の単位電極が配設される空間の少なくとも一部を形成し且つ前記一方の極性の単位電極を支持するための支持用突起を有し、前記セラミック誘電体と前記支持用突起とは一体となるように焼成されて形成されたものであるプラズマ発生電極。
2. 極性の異なる二種類の前記単位電極が、それぞれ異なる材料から構成されたものである請求項１に記載のプラズマ発生電極。
3. 前記他方の極性の単位電極が、前記一方の極性の単位電極を構成する前記セラミック誘電体と熱膨張率及び／又はヤング率が異なる板状の部材から構成されたものである請求項１又は２に記載のプラズマ発生電極。
4. 前記他方の極性の単位電極が、導電性を有する金属又は合金の板状の部材から構成されたものである請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ発生電極。
5. 二つの前記一方の極性の単位電極のそれぞれに形成された前記支持用突起同士を当接させることにより、二つの前記一方の極性の単位電極同士が互いに支持されており、
   前記支持用突起同士を当接させることによって形成された空間のうち、前記他方の極性の単位電極が配設される空間の間隔の厚さが、前記他方の極性の単位電極の厚さよりも大である請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ発生電極。
6. 前記支持用突起の、前記放電空間を形成する表面から前記一の方向における前記端部の端面までの距離が、互いに対向する前記一方の極性の単位電極と前記他方の極性の単位電極との相互間の距離の５倍以上である請求項１〜５のいずれかに記載のプラズマ発生電極。
7. 前記一方の極性の単位電極を構成する前記セラミック誘電体が、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請求項１〜６のいずれかに記載のプラズマ発生電極。
8. 前記一方の極性の単位電極を構成する前記セラミック誘電体が、板状のセラミック部材と、前記支持用突起となる突起部材とを積層して形成してものである請求項１〜７のいずれかに記載のプラズマ発生電極。
9. 前記一方の極性の単位電極を構成する前記導電体が、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請求項１〜８のいずれかに記載のプラズマ発生電極。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載のプラズマ発生電極と、ガスの流路となるガス流路を内部に有するケース体とを備え、前記ケース体の前記ガス流路にガスが導入されたときに、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成分を反応させることが可能なプラズマ反応器。
11. 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１０に記載のプラズマ反応器。
12. 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１１に記載のプラズマ反応器。

Images