JP4703765B2 - プラズマ発生体およびこれを用いたプラズマ発生装置 - Google Patents
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Description
本発明は、プラズマ発生体およびプラズマ発生体を用いたプラズマ発生装置に関する。
例えば、ディーゼルエンジン、もしくはガソリンエンジンからの排ガス、または焼却炉から出される排ガス等の流体中には、ＣＯ、カーボン等の粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ：ＰＭ）、および窒素酸化物（ＮＯｘ）等が含まれている。このようなＰＭ、酸化性成分、およびＨＣの排出を抑制する方法として、プラズマ反応を利用してＣＯおよびＰＭを浄化するという技術が提案されている（例えば、特開２００４−９２５８９号公報、および特開２００５−９３１０７号公報）。
このようなプラズマ反応により流体を浄化するための処理装置（以下、「プラズマ発生装置」ともいう。）は、一対の電極を一定の距離だけ離間して対向させた構造を有している。そして、プラズマ反応による浄化では、対向する一対の電極間に高電圧を印加させてプラズマ場を発生させ、このプラズマ場内に上述した流体を通過させることにより、流体を分解させる。なお、一対の電極は、それぞれ絶縁体により覆われており、この絶縁体の両端を側壁部が支持している。
しかしながら、処理される流体が高温である場合には、処理装置は、流体の通過に伴って、作動直後に高温の状態へと急激に昇温される。もしくは、処理装置を稼動した際、電極等から発生した熱が処理装置に蓄積されていくことにより処理装置が高温になることがある。このような処理装置の極端な温度上昇により、処理装置の絶縁体および側壁部に大きな熱応力がかかってしまう。そして、この熱応力が空間を形成する絶縁体と側壁部の空間側表面との接する部分に集中して、この集中した部分を起点として処理装置にクラックを発生させることが懸念される。その結果、処理装置が破損すると、電極間にプラズマ場が良好に発生しなくなり、セル内を通過するＰＭ等を含む流体を良好に浄化することができないということが想定される。
従って、周囲または内部の温度変化に起因した熱応力による破損を抑制できるプラズマ発生体およびこれを用いたプラズマ発生装置が求められている。
本発明の一形態にかかるプラズマ発生体は、複数の電極部と、複数の第１側壁部と、複数の第２側壁部とを備える。複数の電極部は、第１方向に沿って配列される。複数の第１側壁部は、隣接する電極部間に介在され、第１方向と直交する第２方向における電極部の一端部に配置される。複数の第２側壁部は、隣接する電極部間に介在され、第２方向における電極部の他端部に配置される。第１側壁部の表面と第２側壁部の表面との間に空間が形成されている。複数の電極部のうちの一の電極部を挟んで隣接する一対の第１側壁部は、一方の第１側壁部における空間に接する表面が他方の第１側壁部における空間に接する表面よりも第２方向における外側の位置で、その一対の第１側壁部によって挟まれる電極部にそれぞれ接している。また、一の電極部を挟んで隣接する一対の第２側壁部は、一方の第２側壁部における空間に接する表面が他方の第２側壁部における空間に接する表面よりも第２方向における内側の位置で、その一対の第２側壁部によって挟まれる電極部にそれぞれ接している。
本発明の一形態にかかるプラズマ発生装置は、上記プラズマ発生体を備える。電極部は、電極及びこれを保護する保護層を備える。プラズマ発生装置は、さらに、前記プラズマ発生体の前記電極に接続され、対向する電極間に交流電圧もしくは直流パルス電圧を印加するための電圧印加部を備える。
本発明の一形態にかかるプラズマ発生体およびプラズマ発生装置によれば、周囲または内部の温度変化に起因した熱応力による破損を抑制できる。
以下に、本発明のプラズマ発生体の実施の形態について詳細に説明する。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態によるプラズマ発生体Ｐ１０は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、複数の電極部１と、複数の第１側壁部７ａ１，７ａ２（以下、第１側壁部７ａ１，７ａ２を区別せずに、単に「第１側壁部７ａ」ともいう。）と、複数の第２側壁部７ｂ１，７ｂ２（以下、第２側壁部７ｂ１，７ｂ２を区別せずに、単に「第２側壁部７ｂ」ともいう。）とを備える。複数の電極部１は、第１方向Ｘに沿って配列される。電極部１は、交互に配列された第１電極部１ａと第２電極部１ｂとを有する。第１側壁部７ａは、隣接する電極部１間に介在され、第１方向Ｘと直交する第２方向Ｙにおける電極部１の一端部に配置される。複数の第２側壁部７ｂは、隣接する電極部１間に介在され、第２方向Ｙにおける電極部の他端部に配置される。第１側壁部の表面と第２側壁部の表面との間には、空間８が形成されている。複数の電極部１のうちの第２電極部１ｂを挟んで隣接する一対の第１側壁部７ａは、各々の空間８に接する表面が、第２方向Ｙにおける異なる位置で第２電極部１ｂにそれぞれ接している。また、その第２電極部１ｂを挟んで隣接する一対の第２側壁部７ｂは、各々の空間に接する表面が、第２方向Ｙにおける異なる位置で第２電極部１ｂにそれぞれ接している。なお、以下では、第１側壁部７ａおよび第２側壁部７ｂを区別せずに、単に「側壁部７」ということがある。
本発明の第１の実施形態によるプラズマ発生体Ｐ１０は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、複数の電極部１と、複数の第１側壁部７ａ１，７ａ２（以下、第１側壁部７ａ１，７ａ２を区別せずに、単に「第１側壁部７ａ」ともいう。）と、複数の第２側壁部７ｂ１，７ｂ２（以下、第２側壁部７ｂ１，７ｂ２を区別せずに、単に「第２側壁部７ｂ」ともいう。）とを備える。複数の電極部１は、第１方向Ｘに沿って配列される。電極部１は、交互に配列された第１電極部１ａと第２電極部１ｂとを有する。第１側壁部７ａは、隣接する電極部１間に介在され、第１方向Ｘと直交する第２方向Ｙにおける電極部１の一端部に配置される。複数の第２側壁部７ｂは、隣接する電極部１間に介在され、第２方向Ｙにおける電極部の他端部に配置される。第１側壁部の表面と第２側壁部の表面との間には、空間８が形成されている。複数の電極部１のうちの第２電極部１ｂを挟んで隣接する一対の第１側壁部７ａは、各々の空間８に接する表面が、第２方向Ｙにおける異なる位置で第２電極部１ｂにそれぞれ接している。また、その第２電極部１ｂを挟んで隣接する一対の第２側壁部７ｂは、各々の空間に接する表面が、第２方向Ｙにおける異なる位置で第２電極部１ｂにそれぞれ接している。なお、以下では、第１側壁部７ａおよび第２側壁部７ｂを区別せずに、単に「側壁部７」ということがある。
そして、図２に示すように、第１電極部１ａは、第１電極３および第１電極３を保護する第１保護層５を備え、第２電極部１ｂは、第２電極４および第２電極４を保護する第２保護層６を備えている。第１保護層５および第２保護層６は、それぞれ絶縁体からなる。
第１保護層５、第２保護層６、および側壁部７は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体、またはコーディエライト等の電気絶縁材料から成る。第１保護層５、第２保護層６、および側壁部７が、酸化アルミニウム質焼結体から成る場合には、まず、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（ＳｉＯ２）、カルシア（ＣａＯ）、およびマグネシア（ＭｇＯ）等の原料粉末に適当な有機溶剤、および溶媒を添加混合して泥漿状物を作製する。次に、この泥漿状物が、従来周知のドクターブレード法またはカレンダーロール法等により、シート状に成形されて、セラミックグリーンシートが得られる。次に、これらのセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工が施される。その後、これらのセラミックグリーンシートを複数枚積層する。最後に、この積層体を高温（約１５００〜１８００℃）で焼成することにより、第１保護層５、第２保護層６、および側壁部７が作製される。この場合、これらのセラミックグリーンシートをともに一体焼成することにより、第１保護層５、第２保護層６、および側壁部７は焼結により一体化される。そして、これらの第１保護層５と、第２保護層６と、側壁部７とにより、被処理流体が通過する空間８（図１および図２では、空間８Ａ，８Ｂ）が形成される。
第１電極３および第２電極４は、空間８内にプラズマ場を発生させるための一対の電極である。第１電極３および第２電極４は、全面が第１保護層５および第２保護層６に覆われていてもよいし、一部が覆われていてもよい。そして、第１電極３および第２電極４は、互いに離間して対向している。第１電極３と第２電極４との間の距離は、各空間８に発生させるプラズマ場の強度によって適宜決定される。各空間８に発生させるプラズマ場の強度を同一にする場合には、空間８のＸ方向における距離といった他の条件を同一にするとともに、第１電極３と第２電極４との間の距離を全て同一にすればよい。なお、第１電極３および第２電極４は、プラズマ発生体Ｐ１０の外表面、例えば側壁部７の外表面に形成された後述する外部端子９に電気的に接続される。
上述した第１電極３および第２電極４は、例えば、以下のように作製される。まず、タングステン、モリブデン、銅、または銀等の金属粉末を含む従来周知のメタライズペーストを準備する。そして、スクリーン印刷法等の印刷手段を用いて、第１保護層５および第２保護層６となるセラミックグリーンシートの所定の位置に、第１電極３および第２電極４用のメタライズペーストを塗布する。その後、メタライズペーストとこれらのセラミックグリーンシートとを同時焼成することにより、プラズマ発生体Ｐ１０において所定の形状の第１電極３および第２電極４を形成することができる。
なお、第１電極３および第２電極４は、図２に示すように、全体が第１保護層５および第２保護層６に覆われているとよい。このような構成では、第１電極３および第２電極４が空間８内を通過するオゾンまたは排ガス等の流体に直接接触しにくくなる。従って、第１電極３および第２電極４がこの流体により腐食しにくくなり、プラズマ場の強度の低下を抑制することができる。そして、第１保護層５および第２保護層６が、例えばコーディエライトからなる場合は、第１保護層５および第２保護層６を、１００μｍ以上の厚さに形成しておくことが好ましい。
また、第１電極３および第２電極４の一部が第１保護層５および第２保護層６に覆われる場合には、これら第１電極３および第２電極４の露出する表面に、ニッケルおよび金等の耐蝕性に優れる金属を形成しておくことが好ましい。特に第１電極３および第２電極４が、排ガス等の流体に直接曝される場合は特に好ましい。
また、ニッケルまたは金等の耐蝕性に優れる金属を単層で形成しておいても構わない。例えば、ニッケル層を形成せずに金めっき層の単層だけを被着している場合には、熱によりニッケルが金めっき層内部の粒界に沿って、金めっき層の表面まで拡散してしまうという現象が起きない。従って領域ごとのニッケルの拡散のバラツキが生じにくいため、各領域における導電特性にばらつきが生じにくくできる。このため、プラズマ発生体Ｐ１０を高温下の環境にて使用する場合は、第１電極３および第２電極４の露出する表面に金めっき層のみを０．１〜１０μｍ程度形成しておくとよい。
また、外部端子９が、プラズマ発生体Ｐ１０の外表面、例えば、側壁部７の外表面に形成されている。外部端子９は、外部電源から第１電極３および第２電極４に電圧を印加するための導電路として機能する。外部端子９は、第１電極３および第２電極４のそれぞれに電気的に接続されている。外部端子９は、第１電極３および第２電極４と同様の手法により作製できる。また、外部端子９の露出する表面には、第１電極３および第２電極４の場合と同様に、ニッケルまたは金等の耐蝕性に優れる金属を形成しておくことが好ましい。
そして、外部電源の電源端子が、圧接または接合等の手段により外部端子９に電気的に接続される。この外部端子９を通して第１電極３と第２電極４とに電圧を印加することにより第１電極３と第２電極４との対向領域（第１方向Ｘに垂直な平面方向において、第１電極３と第２電極４とが重畳する領域）にプラズマ場を発生させることができる。そして、プラズマ発生体Ｐ１０の空間８内を通過する流体は、第１電極３と第２電極４との間の対向領域内のプラズマ場を通過することにより分解されて浄化される。例えば、還元雰囲気下においては、ＮＯＸは、下記の反応（１）および（２）により分解して、Ｎ２およびＯ２が生成されて浄化される。
２ＮＯ２ → ２ＮＯ＋Ｏ２ ・・・・・・・・・・（１）
２ＮＯ＋Ｏ２ → Ｎ２＋２Ｏ２・・・・・・・・・（２）
なお、第１電極３と第２電極４との間にプラズマ場を発生させるために、交流電圧または直流パルス電圧が印加される。例えば、周波数の高い交流電圧が印加される場合、印加される交流電圧は、必要とされるプラズマ場の強度等によって適宜選択される。例えば、ディーゼルエンジンの排ガス中のＰＭまたは酸化成分等を反応させて分解するプラズマ発生体において、印加される交流電圧およびその周波数は、例えば、１ｋＶ〜１００ｋＶ、１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚが好ましい。また、直流パルス電圧を印加する場合は、電圧が２ｋＶ〜５０ｋＶ、周波数が１０ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚであることが好ましい。
２ＮＯ＋Ｏ２ → Ｎ２＋２Ｏ２・・・・・・・・・（２）
なお、第１電極３と第２電極４との間にプラズマ場を発生させるために、交流電圧または直流パルス電圧が印加される。例えば、周波数の高い交流電圧が印加される場合、印加される交流電圧は、必要とされるプラズマ場の強度等によって適宜選択される。例えば、ディーゼルエンジンの排ガス中のＰＭまたは酸化成分等を反応させて分解するプラズマ発生体において、印加される交流電圧およびその周波数は、例えば、１ｋＶ〜１００ｋＶ、１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚが好ましい。また、直流パルス電圧を印加する場合は、電圧が２ｋＶ〜５０ｋＶ、周波数が１０ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚであることが好ましい。
そして、本実施形態によるプラズマ発生体Ｐ１０においては、図１〜図３に示すように、第２電極部１ｂを挟む隣接する一対の第１側壁部７ａは、各々の空間８に接する表面が、第２方向Ｙにおける異なる位置で第２電極部１ｂにそれぞれ接している。また、その電極部１ｂを挟む隣接する一対の第２側壁部７ｂは、各々の空間８に接する表面が、第２方向Ｙにおける異なる位置で、第２電極部１ｂにそれぞれ接している。このことから、一対の第１側壁部７ａおよび一対の第２側壁部７ｂに挟まれた第２電極部１ｂの上下面において、第１側壁部７ａと第２電極部１ｂとの応力集中箇所、および第２側壁部７ｂと第２電極部１ｂとの応力集中箇所をそれぞれずらすことができ、第２電極部１ｂが破断して、プラズマ発生体Ｐ１０が破損することを抑制することができる。
上記の構成は、第２電極部１ｂの上下面に第１側壁部７ａをそれぞれ重ねる際、第２電極部１ｂの上面と第１側壁部７ａ１の空間８（図１〜図３では、空間８Ａ）に接する表面（以下、単に「空間８側表面」ともいう。）との接する位置が、第２電極部１ｂの下面と第１側壁部７ａ２の空間８（図１〜図３では、空間８Ｂ）側表面との接する位置と異なるようにしておけばよい。例えば、第２電極部１ｂの上下面において第２保護層６用のセラミックグリーンシートに第１側壁部７ａ用のセラミックグリーンシートをそれぞれ積層する際、第２電極部１ｂの上面側と下面側との間で、第１側壁部７ａ用のセラミックグリーンシートの空間８に接する表面が第２方向Ｙにおいてずれるように積層するとよい。このようにすれば、第２電極部１ｂを挟んで隣接する一対の第１側壁部７ａの各空間８側表面が第２電極部１ｂに接する位置を第２方向Ｙにおいて異ならせることができる。また、第２方向Ｙにおける距離である幅が異なる第１側壁部７ａを第２電極部１ｂの上下面に重ねることにより、上記一対の第１側壁部７ａの各空間８側表面が第２電極部１ｂに接する位置を第２方向Ｙにおいて異ならせることができる。なお、これら第１側壁部７ａについての説明は、第２電極部１ｂを挟んで隣接する一対の第２側壁部７ｂについても当てはまる。
第２電極部１ｂと一対の第１側壁部７ａの各空間８側表面とが接する位置、および第２電極部１ｂと一対の第２側壁部７ｂの各空間８側表面との接する位置は、プラズマ発生体Ｐ１０の大きさ、並びにプラズマ発生体Ｐ１０が使用される温度および雰囲気等の環境等により適宜決定して５０〜５００μｍ程度異なるようにしておけばよい。
また、複数の電極部１を配列し、空間８を３つ以上形成して、各電極部１とその電極部１を挟んで隣接する一対の第１側壁部７ａの空間８側表面との接する位置、および各電極部１とその電極部１を挟んで隣接する一対の第２側壁部７ｂの空間８側表面との接する位置をそれぞれずらしてもよい。例えば、図４に示すように、４つの電極部１が配列されている場合、第２電極部１ｂと第１側壁部７ａ１の空間８Ａ側表面とが接する位置、および第２電極部１ｂと第１側壁部７ａ２の空間８Ｂ側表面とが接する位置が第２方向Ｙにおいて異なっている。また、第２電極部１ｂと第２側壁部７ｂ１の空間８Ａ側表面との接する位置、および第２電極部１ｂと第２側壁部７ｂ２の空間８Ｂ側表面との接する位置が第２方向Ｙにおいて異なっている。これにより、第２電極部１ｂの破断を抑制することができる。
さらに、第１電極部１ａと第１側壁部７ａ２の空間８Ｂ側表面とが接する位置、および第１電極部１ａと第１側壁部７ａ３の空間８Ｃ側表面とが接する位置が第２方向Ｙにおいて異なっている。また、第１電極部１ａと第２側壁部７ｂ２の空間８Ｂ側表面との接する位置、および第１電極部１ａと第２側壁部７ｂ３の空間８Ｃ側表面との接する位置が第２方向Ｙにおいて異なっている。これにより、第１電極部１ａの破断を抑制することができる。
以上により、図４に示す構成では、第１電極部１および第２電極部１ｂの破断を抑制でき、結果としてプラズマ発生体Ｐ１１の破損を抑制することができる。
また、このようなプラズマ発生体Ｐ１１も上述と同様な方法を用いることにより作製することができる。
なお、図４における第１方向Ｘおよび第２方向Ｙは、図１（ｂ）に示したそれらの方向と同一である。また、後述する図５〜図１３では、第１方向Ｘおよび第２方向Ｙを記載していないが、全ての図において、第１方向Ｘおよび第２方向Ｙは、図１〜図３に示した方向と同一である。
本実施形態によるプラズマ発生体Ｐ１０，Ｐ１１では、各電極部１の上下において第１側壁部７ａおよび第２側壁部７ｂを第２方向Ｙにおいてそれぞれ同じ方向にずらすことにより、各電極部１の上下面における応力集中箇所をずらしている。このような構成においては、各空間８の体積の差が小さくなり、各空間８における第１電極３と第２電極４との対向領域を同じにすれば、各空間８のプラズマ量の差も小さくなることから、各空間８を流れる被処理流体に対する処理能力を実質的に同一にすることができる。このような構成にすると、例えば、処理の対象となる物質が被処理流体中に均一に分布しているときに、その物質の分解等を効率よく行うことができる。
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態によるプラズマ発生体Ｐ２０は、図５、図６に示すように、第１方向Ｘにおいて端部に位置する第１側壁部７ａ１，７ａ３は、他の第１側壁部７ａ２よりも、空間８に接する表面が、第２方向Ｙにおける外側の位置で電極部１に接している。また、第１方向Ｘにおいて端部に位置する第２側壁部７ｂ１，７ｂ３は、他の第２側壁部７ｂ２よりも、空間８に接する表面が、第２方向Ｙにおける外側の位置で電極部１に接している。
本発明の第２の実施形態によるプラズマ発生体Ｐ２０は、図５、図６に示すように、第１方向Ｘにおいて端部に位置する第１側壁部７ａ１，７ａ３は、他の第１側壁部７ａ２よりも、空間８に接する表面が、第２方向Ｙにおける外側の位置で電極部１に接している。また、第１方向Ｘにおいて端部に位置する第２側壁部７ｂ１，７ｂ３は、他の第２側壁部７ｂ２よりも、空間８に接する表面が、第２方向Ｙにおける外側の位置で電極部１に接している。
その他の構成については、第１の実施形態によるプラズマ発生体Ｐ１０，Ｐ１１と同様であるため、説明を省略する。
本実施形態によるプラズマ発生体Ｐ２０においては、プラズマ発生体Ｐ１０，Ｐ１１と同様に、電極部１を挟んで隣接する一対の第１側壁部７ａは、各々の空間８に接する表面が、第２方向Ｙにおける異なる位置で第２電極部１ｂにそれぞれ接している。また、電極部１を挟んで隣接する一対の第２側壁部７ｂは各々の空間８に接する表面が、第２方向Ｙにおける異なる位置で電極部１にそれぞれ接している。これにより、各電極部１の上下面において、電極部１の応力集中箇所をずらすことができ、各電極部１が破断して、プラズマ発生体Ｐ２０が破損することを抑制することができる。
また、本実施形態によるプラズマ発生体Ｐ２０では、第２方向Ｙにおける距離である幅が異なる空間８を形成することにより、各電極部１の上下面における応力集中箇所をずらしている。このような構成においては、所望の空間８の体積を他の空間８と異ならせることができる。そして、その際に、幅の広い空間８において、第１電極３と第２電極４との対向領域を大きくすれば、その所望の空間８内のプラズマ量を他の空間８と異ならせることができる。
プラズマ発生体Ｐ２０では、上述のようにプラズマ量を異ならせることにより、空間８内におけるプラズマ反応による処理能力を、図５，図６における最も上側および最も下側における空間８Ａ，８Ｃと、他の空間８Ｂとで異ならせることができる。従って、最も上側および最も下側における空間８Ａ，８Ｃを流れる被処理流体が、他の空間８Ｂを流れる被処理流体よりも多く流れる場合において、プラズマ反応による流体の浄化効率を異ならせることができる。
このような空間８は、最も上側および最も下側における空間８Ａ，８Ｂの幅よりも、他の空間８Ｂの幅を小さくすることにより形成することができる。例えば、他の空間８Ｂを形成する第１側壁部７ａ２，および第２側壁部７ｂ２の幅を、最も上側および最も下側における空間８Ａ，８Ｃを形成する第１側壁部７ａ１，７ａ３、および第２側壁部７ｂ１，７ｂ３の幅よりも大きくし、他の空間８Ｂを形成する第１側壁部７ａ２，および第２側壁部７ｂ２の空間８Ｂ側表面を、空間８Ａを形成する第１側壁部７ａ１および第２側壁部７ｂ１の各空間８Ａ側表面、並びに空間８Ｃを形成する第１側壁部７ａ３および第２側壁部７ｂ３の各空間８Ｃ側表面よりも第２方向Ｙにおいて内側となるように積み重ねておくことにより形成することができる。
また、図７、図８に示すように、より多くの電極部１を配列しても構わない。例えば、図７、図８においては、第１方向Ｘにおいて端部に位置する第１側壁部７ａ１，７ａ５は、他の第１側壁部７ａ２〜７ａ４よりも、空間８に接する表面が、第２方向Ｙにおける外側の位置で電極部１に接している。また、第１方向Ｘにおいて端部に位置する第２側壁部７ｂ１，７ｂ５は、他の第２側壁部７ｂ２〜７ｂ４よりも、空間８に接する表面が、第２方向Ｙにおける外側の位置で電極部１に接している。
また、図８に示すように、第１方向Ｘにおいて中央部の第１側壁部７ａ３から端部の第１側壁部７ａ１，７ａ５にかけて、空間８に接する表面が電極部１に接する位置は、第２方向Ｙにおいて漸次外側にずれており、第１方向Ｘにおいて中央部の第２側壁部７ｂ３から端部の第２側壁部７ｂ１，７ｂ５にかけて、空間８に接する表面が電極部１に接する位置は、第２方向Ｙにおいて漸次外側にずれていてもよい。このような構成においては、第１方向Ｘの中央部に位置する第１側壁部７ａ３および第２側壁部７ｂ３の第２方向Ｙにおける距離（幅）が最も大きくなる。
第１側壁部７ａ３および第２側壁部７ｂ３は、最も熱が逃げにくい空間８Ｃに接するため、第１側壁部７ａ３および第２側壁部７ｂ３の空間８Ｃ側表面と電極部１との接する位置は、他の第１側壁部７ａ１，７ａ２，７ａ４，７ａ５および他の第２側壁部７ｂ１，７ｂ２，７ｂ４，７ｂ５の空間８Ａ，８Ｃ側表面と電極部１との接する位置と比較して、大きな熱応力がかかる。よって、第１側壁部７ａ３および第２側壁部７ｂ３の幅を大きくすることにより強度を上げると、熱応力がかかることにより第１側壁部７ａ３および第２側壁部７ｂ３にクラックが入るといった影響をより低減できる。よって、プラズマ発生体の破損をより抑制できる。
また、この場合、第１方向Ｘにおける中央部から端部に向かって、空間８の体積が大きくなるため、第１方向Ｘにおける中央部から端部に向かって空間８を流れる被処理流体が漸次多く流れる場合において、プラズマ反応による流体の浄化効率を異ならせることができる。このような空間８は、プラズマ発生体Ｐ２２の中央部から端部に向かって、これら空間８を形成する側壁部７の幅を漸次小さくすることにより形成することができる。例えば、セラミックグリーンシートを積層する際、側壁部７となるセラミックグリーンシートの幅を上記中央部から端部に向かって漸次小さくしておき、それらを保護層５，６用のセラミックグリーンシートと積層することにより形成される。
さらに、図９，図１０に示すように、第１方向Ｘにおいて端部に位置する第１側壁部７ａ１，７ａ３は、他の第１側壁部７ａ２よりも、空間８に接する表面が、第２方向Ｙにおける内側の位置で電極部１に接している。また、第１方向Ｘにおいて端部に位置する第２側壁部７ｂ１，７ｂ３は、他の第２側壁部７ｂ２よりも、空間８に接する表面が、第２方向Ｙにおける内側の位置で電極部１に接している。このようなプラズマ発生体Ｐ２３においても、電極部１を挟んで隣接する一対の第１側壁部７ａは、各々の空間８に接する表面が、第２方向Ｙにおける異なる位置で電極部１にそれぞれ接している。また、電極部１を挟んで隣接する一対の第２側壁部７ｂは、各々の空間８に接する表面が、第２方向Ｙにおける異なる位置で電極部１にそれぞれ接している。これにより、各電極部１の上下面において、電極部１の応力集中箇所をずらすことができ、各電極部１が破断して、プラズマ発生体が破損することを抑制することができる。
また、このようなプラズマ発生体Ｐ２３においては、各空間８内におけるプラズマ反応による処理能力を第１方向Ｘの両端部における空間８Ａ，８Ｃと、その他の空間８Ｂとで異ならせることができる。従って、最も上側および最も下側における空間８Ａ，８Ｃを流れる被処理流体に比べて、他の空間８Ｂを流れる被処理流体がより多く流れる場合において、プラズマ反応による流体の浄化効率を異ならせることができる。
このような空間８は、他の空間８Ｂの幅を、最も上側および最も下側における空間８Ａ，８Ｃの幅よりも大きくすることにより形成することができる。例えば、他の空間８Ｂを形成する第１側壁部７ａ２および第２側壁部７ｂ２の幅を、最も上側および最も下側における空間８Ａ，８Ｃを形成する第１側壁部７ａ１，７ａ３、および第２側壁部７ｂ１，７ｂ３の幅よりも小さくし、他の空間８Ｂを形成する第１側壁部７ａ２，および第２側壁部７ｂ２の空間８Ｂ側表面を、空間８Ａを形成する第１側壁部７ａ１および第２側壁部７ｂ１の空間８Ａ側表面、並びに空間８Ｃを形成する第１側壁部７ａ３および第２側壁部７ｂ３の空間８Ｃ側表面よりも第２方向Ｙにおいて外側となるように積み重ねておくことにより形成することができる。
また、図１１、図１２に示すように、より多くの電極部１を配列し、複数の空間８を形成しても構わない。例えば、図１１、図１２においては、第１方向Ｘにおいて端部に位置する第１側壁部７ａ１，７ａ５は、他の第１側壁部７ａ２〜７ａ４よりも、空間８に接する表面が、第２方向Ｙにおける内側の位置で電極部１に接している。また、第１方向Ｘにおいて端部に位置する第２側壁部７ｂ１，７ｂ５は、他の第２側壁部７ｂ２〜７ｂ４よりも、空間８に接する表面が、第２方向Ｙにおける内側の位置で電極部１に接している。このことから、上述と同様な理由により、電極部１が破断して、プラズマ発生体Ｐ２４，Ｐ２５が破損することを抑制することができる。
また、図１２に示すように、第１方向Ｘにおいて中央部の第１側壁部７ａ３から端部の第１側壁部７ａ１，７ａ５にかけて、空間８に接する表面が電極部１に接する位置は、第２方向Ｙにおいて漸次内側にずれており、第１方向において中央部の第２側壁部７ｂ３から端部の第２側壁部７ｂ１，７ｂ５にかけて、空間８に接する表面が電極部１に接する位置は、第２方向Ｙにおいて漸次内側にずれていてもよい。この場合、最も上側および最も下側の空間８Ａ，８Ｅから中央側の空間８Ｃに向かって、空間８を流れる被処理流体が漸次多く流れる場合において、プラズマ反応による流体の浄化効率を異ならせることができる。このような空間８は、プラズマ発生体Ｐ２５の最も上側および最も下側の空間８Ａ，８Ｅから中央側に向かって、これら空間８を形成する第１側壁部７ａ、および第２側壁部７ｂの幅を漸次小さくすることにより形成することができる。例えば、セラミックグリーンシートを積層する際、第１側壁部７ａ，第２側壁部７ｂとなるセラミックグリーンシートの幅を中央部から最も上側および最も下側に向かって漸次小さくしておき、他のセラミックグリーンシートと積層することにより形成される。
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施形態によるプラズマ発生体Ｐ３０は、図１３に示すように、第１方向Ｘにおいて一方の端部の第１側壁部７ａ１から他方の端部の第１側壁部７ａ５にかけて、空間８に接する表面が電極部１に接する位置は、漸次外側にずれており、第１方向Ｘにおいて一方の端部に位置する第２側壁部７ｂ１から他方の端部に位置する第２側壁部７ｂ５にかけて、空間８に接する表面が電極部１に接する位置は、漸次外側にずれている。
本発明の第３の実施形態によるプラズマ発生体Ｐ３０は、図１３に示すように、第１方向Ｘにおいて一方の端部の第１側壁部７ａ１から他方の端部の第１側壁部７ａ５にかけて、空間８に接する表面が電極部１に接する位置は、漸次外側にずれており、第１方向Ｘにおいて一方の端部に位置する第２側壁部７ｂ１から他方の端部に位置する第２側壁部７ｂ５にかけて、空間８に接する表面が電極部１に接する位置は、漸次外側にずれている。
このような構成においては、第１方向Ｘにおける一方の端部から他方の端部に向けて、第１側壁部７ａ１〜７ａ５の空間８側表面と電極部１との接する位置は全て異なり、第２側壁部７ｂ１〜７ｂ５の空間８側表面と電極部１との接する位置は全て異なる。従って、各電極部１は、その電極部１に隣接する空間８内の昇温により発生する熱応力だけでなく、他の空間８内の昇温により発生する熱応力の影響も低減することが可能になる。よって、各電極部１の破断をより抑制することができる。
また、プラズマ発生体Ｐ３０では、最も下側の空間８Ｅの体積が大きくなっていることから、例えば、処理を行う物質がその質量が大きいといった理由から被処理流体中の下部に溜まってしまうような場合には、その物質を効率よく浄化することができる。
なお、これまで説明したプラズマ発生体Ｐ１０〜Ｐ３０において、第１保護層５および第２保護層６、並びに第１側壁部７ａおよび第２側壁部７ｂが、同一の材料を含んでなることが好ましい。このことから、これら各部材間の熱特性を近いものとできる。すなわち、これら部材間の熱膨張率の差が小さい、もしくは熱膨張率が等しくなるので、これら各部材間に熱応力が発生することを抑制し、プラズマ発生体の破損を抑制することができる。
なお、同一の材料を含んでいるとは、例えば、第１保護層５が酸化アルミニウム質焼結体からなる場合には、第２保護層６、第１側壁部７ａ、および第２側壁部７ｂが酸化アルミニウム質焼結体を含む材料からそれぞれ形成され、第１保護層５が窒化アルミニウム質焼結体からなる場合には、第２保護層６、第１側壁部７ａ、および第２側壁部７ｂが窒化アルミニウム質焼結体を含む材料からそれぞれ形成されることをいう。なお、第１保護層５、第２保護層６、第１側壁部７ａ、および第２側壁部７ｂは、その効果をより高めるために、焼結により一体化して形成されることが好ましく、このような部材は、上述のように、各部材用のセラミックグリーンシートを積層した後、焼成することにより製作することができる。
（第４の実施の形態）
本実施形態によるプラズマ発生装置は、上述のプラズマ発生体と第１電極３と第２電極４との間に交流電圧または直流パルス電圧を印加するための電圧印加部（図１４において符号１０を付している）とを有する。この電圧印加部によって第１電極３と第２電極４との間に交流電圧または直流パルス電圧を印加することにより、電極部１が対向する空間８内にプラズマを発生させる。このような空間８に被処理流体を流入させると、被処理流体に対して、プラズマ反応をさせることができる。
本実施形態によるプラズマ発生装置は、上述のプラズマ発生体と第１電極３と第２電極４との間に交流電圧または直流パルス電圧を印加するための電圧印加部（図１４において符号１０を付している）とを有する。この電圧印加部によって第１電極３と第２電極４との間に交流電圧または直流パルス電圧を印加することにより、電極部１が対向する空間８内にプラズマを発生させる。このような空間８に被処理流体を流入させると、被処理流体に対して、プラズマ反応をさせることができる。
例えば、本実施形態によるプラズマ発生装置は、被処理流体が酸素であり、空間８に酸素を流入させることによりオゾンを発生させる。これにより、プラズマ反応により良好に酸素をオゾンに変化させることができる。このようなプラズマ発生装置は、例えば、オゾン発生器として使用することができる。
また、本実施形態によるプラズマ発生装置は、図１４に示すように、被処理流体が、炉もしくは内燃機関からの排ガスであり、空間８に排ガスを流入させる第１の流路１１と、空間８から排出される被処理ガスを、空間８から流出させる第２の流路１２とをさらに備えていてもよい。このようなプラズマ発生装置は、例えば、自動車、船舶、または発電機等に使用されるエンジン等の排ガスの排ガス処理装置として使用することができる。これにより、第１の流路１１を介して排ガスをプラズマ発生体の空間に良好に流入させることができるので、プラズマ発生体において排ガスを、プラズマ反応により良好に浄化された被処理ガスとすることができる。そして、被処理ガスを第２の流路１２を介して放出させることができる。
なお、本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。例えば、上述においては、自動車、船舶、または発電機等に使用されるエンジン等の排ガスの浄化等について説明を行っているが、その他の用途に使用されるプラズマ発生体に適用しても良い。例えば、消臭、ダイオキシンの分解、若しくは花粉の分解等に使用される空気洗浄機器、プラズマエッチング、または薄膜装置等に搭載されるプラズマ発生体およびプラズマ発生体を備えた装置、流体処理装置等に適用することができる。
Claims (8)
- 第１方向に沿って配列される複数の電極部と、
隣接する前記電極部間に介在され、前記第１方向と直交する第２方向における前記電極部の一端部に配置される複数の第１側壁部と、
隣接する前記電極部間に介在され、前記第２方向における前記電極部の他端部に配置される複数の第２側壁部と、を備え、
前記第１側壁部の表面と前記第２側壁部の表面との間に空間が形成されており、
前記複数の電極部のうちの一の電極部を挟んで隣接する一対の前記第１側壁部は、一方の前記第１側壁部における前記空間に接する表面が他方の前記第１側壁部における前記空間に接する表面よりも前記第２方向における外側の位置で当該電極部に接しており、
前記一の電極部を挟んで隣接する一対の前記第２側壁部は、一方の前記第２側壁部における前記空間に接する表面が他方の前記第２側壁部における前記空間に接する表面よりも前記第２方向における内側の位置で前記電極部に接しているプラズマ発生体。 - 前記複数の第１側壁部の表面と前記複数の第２側壁部の表面との間にそれぞれ前記空間が形成されており、それぞれの前記空間での前記第１側壁部と前記第２側壁部との前記第２方向における間隔が同じである請求項１に記載のプラズマ発生体。
- それぞれの前記空間での前記第１側壁部と前記第２側壁部との対向領域の体積が同じである請求項２に記載のプラズマ発生体。
- 前記第１方向において中央部の前記第１側壁部から端部の前記第１側壁部にかけて、前記空間に接する表面が前記電極部に接する位置は、前記第２方向において漸次内側にずれており、
前記第１方向において中央部の前記第２側壁部から端部の前記第２側壁部にかけて、前記空間に接する表面が前記電極部に接する位置は、前記第２方向において漸次内側にずれている請求項１に記載のプラズマ発生体。 - 前記第１方向において一方の端部に位置する前記第１側壁部から他方の端部に位置する前記第１側壁部にかけて、前記空間に接する表面が前記電極部に接する位置は、前記第２方向において漸次外側にずれており、
前記第１方向において一方の端部に位置する前記第２側壁部から他方の端部に位置する前記第２側壁部にかけて、前記空間に接する表面が前記電極部に接する位置は、前記第２方向において漸次外側にずれている請求項１に記載のプラズマ発生体。 - 前記電極部は、電極及びこれを保護する保護層を備え、
前記保護層、前記第１側壁部、および前記第２側壁部が、同一の材料を含んでなる請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のプラズマ発生体。 - 請求項６に記載のプラズマ発生体と、
前記プラズマ発生体の前記電極に接続され、対向する前記電極間に交流電圧もしくは直流パルス電圧を印加するための電圧印加部と、を備えたプラズマ発生装置。 - 前記空間に流体を流入させる第１の経路と、
前記空間から排出される流体を、前記空間から流出させる第２の流路とをさらに備えた請求項７に記載のプラズマ発生装置。
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