JP4705891B2 - Atmospheric pressure plasma generator with electrode structure to prevent useless discharge - Google Patents
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Description
本発明は、無駄な放電を防止するための電極構造の大気圧プラズマ発生装置に関し、さらに詳細には、電極と誘電体との間に間隔を隔てて、第1電極と誘電体との間に液体誘電体を充填することによって、無駄な放電が生じるのを防止する大気圧プラズマ電極構造に関する。 The present invention relates to an atmospheric pressure plasma generator having an electrode structure for preventing useless discharge, and more specifically, a gap between an electrode and a dielectric, and a gap between the first electrode and the dielectric. The present invention relates to an atmospheric pressure plasma electrode structure that prevents generation of useless discharge by filling a liquid dielectric.
プラズマ発生装置は、2つの電極間に放電を起こし、その間に注入されたガスをイオン化させることによって、プラズマを発生させる。このように形成されたプラズマは、化学反応を容易にするので、有機汚染物の洗浄及び表面処理などの工程に用いられる。 The plasma generator generates a plasma by causing a discharge between two electrodes and ionizing a gas injected therebetween. Since the plasma thus formed facilitates chemical reaction, it is used for processes such as cleaning organic contaminants and surface treatment.
最近、注目されつつある大気圧プラズマ発生装置は、従来の真空システムを必要とせず、1気圧(760torr)において反応チャンバーなしで、従来の生産ラインに直接適用できるため、連続的な工程により処理できるものである。しかしながら、大気圧プラズマは、真空ではない常圧で放電を起こさなければならないため、低圧と比較して、かなり高い電圧が両電極の間に印加されることによって、Arcが生じ、このようなArcは、電極及び被処理物の損傷を引き起こすという問題がある。 Recently, atmospheric pressure plasma generators that have been attracting attention do not require a conventional vacuum system and can be directly applied to a conventional production line without a reaction chamber at 1 atm (760 torr), so that they can be processed in a continuous process. Is. However, since atmospheric pressure plasma must discharge at a normal pressure that is not a vacuum, an arc is generated when a considerably high voltage is applied between both electrodes compared to a low pressure, and such an Arc is generated. Has a problem of causing damage to the electrode and the workpiece.
上記の問題を解決するための方式として、電極間に誘電体層を形成する方法が知られている。2つの電極の一方又は両方電極の表面に、セラミックなどの絶縁体又は誘電体を被服又は密着して高電圧を印加すれば、2つの電極から直接放電が発生せず、誘電体と電極との間又は誘電体と誘電体との間で放電が発生することになるが、これを誘電体バリア放電(Dielectric−barrier Discharge)又は無声放電(Silent Discharge)という。 As a method for solving the above problem, a method of forming a dielectric layer between electrodes is known. If a high voltage is applied by applying an insulator or dielectric such as ceramic to the surface of one or both of the two electrodes and applying a high voltage, the two electrodes do not generate a direct discharge, and the dielectric and the electrode A discharge occurs between the dielectrics and between the dielectrics, and this is called a dielectric-barrier discharge or silent discharge.
図1は、従来の誘電体バリア放電方式を用いた大気圧プラズマ発生装置の電極構造を示す断面図である。
同図に示すように、電源供給手段5が、第1電極1と第2電極2との間に電圧を印加し、誘電体3が、第1電極1及び第2電極の面にそれぞれ平板状に形成されている。両誘電体3の間には、一定間隔が維持される空間が形成されており、電源供給手段5により電圧が印加されると、両誘電体3の間の空間においてプラズマ6が生成される。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an electrode structure of an atmospheric pressure plasma generator using a conventional dielectric barrier discharge method.
As shown in the figure, the power supply means 5 applies a voltage between the first electrode 1 and the
両電極1、2の間に位置する誘電体3は、放電により伝達される電荷の量を制限し、放電を電極全体に拡散させる役割を果たす。このような誘電体バリア放電方式には、主に数〜数十kHzの交流電圧やパルス状の電圧が印加され、電圧の大きさは数kV程度である。誘電体バリア放電方式は、電極間の電圧が高いため、従来に用いられていた不活性ガスのみならず、空気のような放電電圧の高いガスを用いることによっても容易にプラズマを発生させることができる。
The dielectric 3 positioned between the
図2は、従来の誘電体バリア放電方式を用いた大気圧プラズマ電極構造のさらに他の実施の形態を示す断面図である。
同図に示すように、両電極1、2の間に誘電体3が形成され、放電によりプラズマ6が生成されるという点は図1と同じであるが、第1電極1及び第2電極2の断面が、円状に形成され、その内部に誘電体3層が接して形成されたという特徴がある。また、第1電極1の内部に冷却水4を充填し得る空間が形成されているという特徴もある。図1と図2において、いずれか一方の誘電体は省略できる。
FIG. 2 is a sectional view showing still another embodiment of an atmospheric pressure plasma electrode structure using a conventional dielectric barrier discharge system.
As shown in the figure, the first electrode 1 and the
図1及び図2に示すような従来の放電構造では、第1電極及び第2電極1、2と誘電体3とが互いに密着されているため、第1電極1と第2電極2との間に電源が印加されると、第1電極及び第2電極1、2とそれに接した誘電体3との間の微細な隙間及び電極周辺の境界領域でも放電が発生し、無駄なプラズマ7が生じることによって、電力損失を引き起こすという問題があった。
In the conventional discharge structure as shown in FIG. 1 and FIG. 2, the first and
また、第1電極及び第2電極1、2に誘電体3を被覆して用いる場合は、被覆層の内部又は被覆層と第1電極及び第2電極1、2との間に微細な気泡が存在すれば、気泡から放電が発生するようになり、被覆層が壊れる等、電極の寿命に致命的な影響を及ぼすという問題もあった。
In addition, when the dielectric 3 is coated on the first electrode and the
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、第1電極や第2電極に誘電体を形成するとき、電極と誘電体との間に空間を形成し、液体誘電体や冷却水を充填することによって、第1電極と第2電極の周囲に無駄な放電が発生することを防止するプラズマ発生装置を提供することにある。
冷却水も誘電体であるため、以下では「液体誘電体や冷却水」の代りに、便宜上「液体誘電体」と略称する。
The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to form a space between the electrode and the dielectric when the dielectric is formed on the first electrode or the second electrode. An object of the present invention is to provide a plasma generator that prevents unnecessary discharge from occurring around the first electrode and the second electrode by filling the body and cooling water.
Since the cooling water is also a dielectric, it will be abbreviated as “liquid dielectric” for convenience instead of “liquid dielectric or cooling water”.
上記目的を達成すべく、本発明に係る、無駄な放電を防止するための電極構造の大気圧プラズマ発生装置によれば、電源供給手段から放電電圧が印加される第1電極と、前記第1電極と所定間隔が離隔され、前記第1電極を取り囲む誘電体と、前記第1電極と前記誘電体との間の空間に充填される液体誘電体と、前記誘電体と所定間隔が離隔されるように設置される第2電極と、を備える。 In order to achieve the above object, according to the atmospheric pressure plasma generator of the electrode structure for preventing wasteful discharge according to the present invention, the first electrode to which a discharge voltage is applied from a power supply means, and the first electrode A predetermined interval is separated from the electrode, a dielectric surrounding the first electrode, a liquid dielectric filled in a space between the first electrode and the dielectric, and a predetermined interval from the dielectric. A second electrode that is installed as described above.
また、前記第2電極と所定間隔が離隔され、前記第2電極を取り囲む第2誘電体と、前記第2電極と前記第2誘電体との間の空間に充填される第2液体誘電体とをさらに備える。 A second dielectric that is spaced apart from the second electrode and surrounds the second electrode; and a second liquid dielectric that fills a space between the second electrode and the second dielectric. Is further provided.
本発明によれば、誘電体を利用して両電極間に放電を発生させてプラズマを生成する過程において、電極と誘電体との境界面間の無駄な放電発生を遮断することによって、表面処理や洗浄などの実際作業に利用できない無駄な放電プラズマが生成されるのを防止できるという効果がある。これによって、このような無駄な放電による電力損失などの各種浪費を防止でき、電極に局部的な加熱が発生することを遮断することによって、電極の寿命を長く維持できるという効果がある。 According to the present invention, in the process of generating a plasma by generating a discharge between both electrodes using a dielectric, surface treatment is performed by blocking unnecessary discharge generation between the interface between the electrode and the dielectric. It is possible to prevent generation of useless discharge plasma that cannot be used for actual work such as cleaning and cleaning. As a result, various kinds of waste such as power loss due to such wasteful discharge can be prevented, and it is possible to maintain a long life of the electrode by blocking the local heating of the electrode.
また、液体誘電体を、電極と誘電体との間の無駄な放電を遮断する用途と冷却のための用途として共に活用することによって、別の冷却水を使用する必要がないという効果もある。 In addition, by utilizing the liquid dielectric as an application for blocking useless discharge between the electrode and the dielectric and an application for cooling, there is an effect that it is not necessary to use another cooling water.
以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面に基づき詳細に説明する。
図3は、本発明の第1実施の形態に係る大気圧プラズマ発生装置の電極構造を示す断面図である。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an electrode structure of the atmospheric pressure plasma generator according to the first embodiment of the present invention.
同図に示すように、導体で構成される第1電極10が、円柱状に電源供給手段50に接続されている。そして、誘電体30が、第1電極10と所定間隔Dが離隔され、円柱状に第1電極10を取り囲んでおり、第1電極10と誘電体30との間の空間Dには、液体誘電体40が充填される。また、第2電極20が、誘電体30から所定間隔が離隔され、誘電体30を円柱状に取り囲むように設置されている。第1電極10は、電源供給手段50から電力を供給される電力印加電極として作用する。第2電極20は、接地させても良く、又はフローティング状態にしても良い。
As shown in the figure, the
そして、第2電極にも第1電極と同様に、(第2)誘電体及び(第2)液体誘電体を付加できる。 In addition, the (second) dielectric and the (second) liquid dielectric can be added to the second electrode as well as the first electrode.
ここで、第1電極10と第2電極20との間に位置する誘電体30には、酸化マグネシウム(MgO)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化チタニウム(TiO2)、酸化ケイ素(SiO2)などの酸化物系のセラミック物質が主に用いられる。そして、第1電極10と誘電体30との間には、液体誘電体40が充填されるが、誘電体30と液体誘電体40は、放電により伝達される電荷の量を制限し、放電が電極全体に拡散させる役割を果たす。液体誘電体40は、また大気圧プラズマ発生装置の駆動過程において発生する高い熱を冷却させる役割も果たし、水の誘電性を用いて水を液体誘電体40として用いることができる。
Here, the dielectric 30 positioned between the
第1電極10と誘電体30との間の間隔Dは、放電電極の幅、長さ、液体誘電体40の誘電率及び冷却能力によって異なり得るが、液体誘電体40のスムーズな供給及び排出のためには、0.1〜30.0mmの範囲の間隔が好ましい。
The distance D between the
電源供給手段50から第1電極10と第2電極20との間に放電電圧が印加されると、誘電体30と第2電極20との間の空間から放電が発生し、プラズマ60が生成される。
図4は、本発明の第2実施の形態に係る大気圧プラズマ発生装置の電極構造を示す断面図である。
When a discharge voltage is applied between the
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the electrode structure of the atmospheric pressure plasma generator according to the second embodiment of the present invention.
同図に示すように、導体で構成される第1電極10が平板状に電源供給手段50に接続されている。そして、誘電体30が第1電極10と所定間隔が離隔Dされ、4角柱状に第1電極を取り囲んでおり、第1電極10と誘電体30との間の空間Dには、液体誘電体40が充填される。また、第2電極20が誘電体30から所定間隔が離隔されて、広い平板状に設置されている。第1電極10は、電源供給手段50から電力を供給される電力印加電極として作用する。第2電極20は、接地させても良く、又はフローティング状態にしても良い。
As shown in the figure, the
第2電極にも第1電極と同様に、(第2)誘電体及び(第2)液体誘電体を適用できることは言うまでもない。 It goes without saying that (second) dielectric and (second) liquid dielectric can be applied to the second electrode as well as the first electrode.
誘電体30は、第1実施の形態と同様に、酸化マグネシウム(MgO)、酸化アルミニウム(Al2O3))、酸化チタニウム(TiO2)、酸化ケイ素(SiO2)などの酸化物系のセラミック物質が主に用いられ、第1電極10と誘電体30との間には、液体誘電体40が充填される。
As in the first embodiment, the dielectric 30 is an oxide-based ceramic such as magnesium oxide (MgO), aluminum oxide (Al 2 O 3 )), titanium oxide (TiO 2 ), or silicon oxide (SiO 2 ). A substance is mainly used, and a
誘電体30と液体誘電体40の役割は、第1実施の形態と同様に、放電により伝達される電荷の量を制限し、放電を電極全体に拡散させる役割を果たす。液体誘電体40は、また大気圧プラズマ発生装置の駆動過程において発生する高い熱を冷却させる役割も果たし、水の誘電性を用いて水を液体誘電体40として用いることもできる。
As in the first embodiment, the roles of the dielectric 30 and the
第1電極10と誘電体30との間の平行な面間の間隔Dは、放電電極の幅、長さ、液体誘電体40の誘電率及び冷却能力によって異なり得るが、液体誘電体40のスムーズな供給及び排出のためには、0.1〜30.0mmの範囲の間隔が好ましい。
The distance D between the parallel surfaces between the
そして、平板状の第2電極20の幅は、必要によって誘電体30の横面Wより大きいときもあるし、小さいときもある。
電源供給手段50から第1電極10と第2電極20との間に放電電圧が印加されると、誘電体30と第2電極20との間の空間から放電が発生し、プラズマ60が生成される。
And the width | variety of the flat
When a discharge voltage is applied between the
以上、本発明の好ましい2種類の実施の形態について説明したが、該当分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の本質的技術思想を維持したまま、多様な変形又は隣接分野への適用が可能である。すなわち、電極及び誘電体形状の変更(円柱状、チューブ状、平板4角柱状)等を通した変形や大気圧プラズマの他にも、電極間の放電を利用した他の全てのプラズマ発生装置への適用が可能である。 As described above, the two preferred embodiments of the present invention have been described. However, those who have ordinary knowledge in the relevant field can make various modifications or modifications to adjacent fields while maintaining the essential technical idea of the present invention. Applicable. That is, to other plasma generators using the discharge between electrodes in addition to deformation and atmospheric pressure plasma through changes in electrode and dielectric shapes (columnar, tube, flat quadrangular prism), etc. Can be applied.
上述した本発明の好ましい実施の形態は、例示の目的のために開示されたものであり、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形、及び変更が可能であり、このような置換、変更などは、特許請求の範囲に属するものである。 The above-described preferred embodiments of the present invention have been disclosed for the purpose of illustration, and those having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention pertains depart from the technical idea of the present invention. Various substitutions, modifications, and alterations are possible within the scope of not being included, and such substitutions, alterations, and the like belong to the scope of the claims.
1,10 第1電極
2,20 第2電極
3,30 誘電体
4 冷却水
40 液体誘電体
5,50 電源供給手段
6,60 プラズマ
7 無駄な放電プラズマ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
電源供給手段から放電電圧が印加される第1電極と、
前記第1電極と1mm〜30mmの間隔をもって離隔され、前記第1電極を取り囲む誘電体と、
前記第1電極と前記誘電体との境界面間の無駄な放電発生を遮断するため、前記第1電極と前記誘電体との間の空間に充填される冷却機能を併せもつ液体誘電体と、
前記誘電体と所定間隔で離隔されるように設置され、前記誘電体との間で放電によるプラズマを生成する第2電極と、を備える無駄な放電を防止するための電極構造の大気圧プラズマ発生装置。 A plasma generator,
A first electrode to which a discharge voltage is applied from a power supply means;
A dielectric that is spaced apart from the first electrode by an interval of 1 mm to 30 mm and surrounds the first electrode;
A liquid dielectric having a cooling function to be filled in a space between the first electrode and the dielectric in order to block generation of useless discharge between the interface between the first electrode and the dielectric;
An atmospheric pressure plasma generation of an electrode structure for preventing useless discharge, comprising: a second electrode that is disposed so as to be separated from the dielectric at a predetermined interval , and generates a plasma due to discharge with the dielectric. apparatus.
前記第2電極と前記第2誘電体との境界面間の無駄な放電発生を遮断するため、前記第2電極と前記第2誘電体との間の空間に充填される冷却機能を併せもつ第2液体誘電体と、
をさらに備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の無駄な放電を防止するための電極構造の大気圧プラズマ発生装置。 A second dielectric that is spaced apart from the second electrode by an interval of 1 mm to 30 mm and surrounds the second electrode;
In order to block the generation of useless discharge between the boundary surface between the second electrode and the second dielectric, a first cooling function is provided to fill the space between the second electrode and the second dielectric. Two liquid dielectrics;
The atmospheric pressure plasma generator with an electrode structure for preventing wasteful discharge according to claim 1 or 2, further comprising:
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