JP4820317B2 - 放電処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、放電処理装置に関し、詳しくは、放電処理装置の電極を冷却するための構造に関する。

従来、電極間の放電により発生させたプラズマを利用して、被処理物の表面改質、薄膜形成、アッシング、洗浄などの処理を行うプラズマ処理装置などの放電処理装置において、放電により電極が高温となり損傷することを防ぐため、電極を冷却することが提案されている。

例えば、特許文献１には、溶鋼加熱用プラズマトーチの電極を、内部に冷却水が流れる二重管にすることが開示されている。また、特許文献２には、プラズマ発生装置の電極の内部に、冷却水が循環する内部空間を形成することが開示されている。また、特許文献３には、電極となるステンレスパイプの中に、一端から他端に水を通して冷却する構成が開示されている。
特開２００３−３３８６２号公報 特開２００５−２３５４６４号公報 特開２００１−３５８３５号公報

放電装置を大型化すると、電極は大径になったり、断面積が大きくなったりする。この場合、特許文献１〜３のような構成を単純に適用すると、（ａ）冷却水を大量に供給しなければならない、（ｂ）冷却したい放電面付近に冷却水をうまく供給することができない、といった問題があり、電極の冷却を効率よく行うことができない。

本発明は、かかる実情に鑑みて、電極の冷却を効率よく行うことができる、放電処理装置を提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、以下のように構成した放電処理装置を提供する。

放電処理装置は、対向する電極間に電圧を印加し、該電極間で放電を発生させて被処理物を処理するタイプのものである。前記電極の少なくとも一つは、電極本体と、内側部材と、第１冷媒路及び第２冷媒路とを備える。前記電極本体は、軸と、放電面となる外周面を有する周壁と、該周壁の両端と前記軸との間に延在し結合された二つの側壁とを少なくとも含み、内部に中空空間が形成されている。前記内側部材は、前記電極本体の前記中空空間内に配置され、前記電極本体の前記周壁と前記二つの側壁とに沿って間隔を設けて延在し、前記電極本体の前記周壁と前記二つの側壁との間に密閉空間を形成する。前記第１冷媒路及び第２冷媒路は、前記密閉空間を介して互いに連通する。

上記構成において、冷媒は、第１冷媒路から供給され、電極本体と内側部材との間に形成される密閉空間を通った後、第２冷媒路から回収される。あるいは、第２冷媒路から供給され、電極本体と内側部材との間に形成される密閉空間を通った後、第１冷媒路から回収される。いずれの場合においても、供給された冷媒の全てが、電極本体の周壁に沿って形成された密閉空間内、すなわち放電面の付近を流れるため、冷媒の全部を冷却に有効に利用することができる。また、電極本体内の周壁よりも径方向内側の空間のうち、電極本体の周壁に沿って一部分にのみ冷媒が流れるので、供給する冷媒の量を減らすことができる。

さらに、前記第１冷媒路は、前記軸の一方から、前記電極本体の前記中空空間のうち前記密閉空間以外の部分を通って前記軸の他方側まで延在し、前記密閉空間の前記軸の他方側に連通する。前記第２冷媒路は、前記軸の一方側に配置され、前記密閉空間の前記軸の一方側に連通する。

この場合、電極本体の同じ側（一方の側壁側）に第１冷媒路と第２冷媒路とが配置されるので、冷媒系の配管の取り回しが容易になる。

さらに、前記軸の一方側において、前記第１冷媒路の周囲に前記第２冷媒路が配置されて二重管状である。冷媒は、前記第１冷媒路及び前記第２冷媒路の一方から供給され、他方から排出される。

この場合、二重管状の部分において外側に配置される第２冷媒路は、二重管状の部分に近い一方の側壁側の密閉空間に連通され、二重管状の部分の内側に配置される第１冷媒路は、二重管状の部分から遠い他方の側壁側の密閉空間に連通される。そのため、第１冷媒路と第２冷媒路とは、二重管状となるように配置しても互いに交差することなく密閉空間に連通させることができ、装置の構成を簡単にすることができる。

上記構成において、第２冷媒路から冷媒を供給し、第１冷媒路から冷媒を回収する場合には、放電面からの熱を吸収して高温になった冷媒が第１流路を流れるときに、冷媒の熱は、二重管状の部分においては、第１冷媒路の周囲に配置された第２冷媒路にのみ伝達され、二重管状の部分以外の部分においては、内側部材などに伝達される。

これとは逆に、第１冷媒路から冷媒を供給し、第２冷媒路から冷媒を回収する場合には、放電面からの熱を吸収して高温になった冷媒が第２流路を流れるときに、冷媒の熱は、第１冷媒路のみならず、外部にも放熱されるため、第１冷媒路内の冷媒の温度上昇を抑えることができ、冷却効率を一層向上することができる。また、内側部材などを温めてしまうこともない。

好ましい一態様としては、前記電極本体の前記周壁が円筒形状である。前記内側部材は、前記電極本体の前記周壁と同軸に配置され、円筒形状の外周面を有する。

この場合、電極部材の周壁の内周面と内側部材の外周面との間に、一定間隔の密閉空間を形成することができ、放電面を均一に冷却することができる。その結果、被処理物を均一に処理することができる。

本発明によれば、冷却したい放電面付近に冷媒の全部又は大部分を供給し、冷媒の利用率を高めて冷媒供給量を減らし、電極の冷却を効率よく行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について、図１〜図７を参照しながら説明する。

＜実施例１＞ 実施例１の放電装置について、図１〜図３を参照しながら説明する。図１は、縦断面図、図２は、図１の線II−IIに沿って切断した横断面図である。

放電装置は、図２に示すように、ロール電極１０と固定電極ユニット４とが対向して配置されている。ロール電極１０の外周面には、被処理物１が接触するように配置される。被処理物１は、ロール電極１０が矢印１８で示す方向に回転することによって、矢印３で示す方向に搬送され、固定電極ユニット４と対向する位置を通過する。

固定電極ユニット４の内部には、ロール電極１０に対向して配置される電極６と、この電極６とロール電極１０との間の隙間（以下、「放電空間８」という。）に処理ガスを供給するガス供給部（不図示）とを備える。

放電装置は、大気圧下に配置され、ロール電極１０が接地され、固定電極ユニット４の電極６に電圧が印加される。これによって、放電空間８でプラズマ放電が発生し、放電空間８に供給されている処理ガスがプラズマ放電によってプラズマ化する。このプラズマ化した処理ガス（現にプラズマ化している処理ガスであっても、プラズマを経て活性化した処理ガスであってもよい。）を、被処理物１の表面２に接触させることにより、被処理物１の表面２に対して、放電によるプラズマ（活性種、イオンなど）を用いて、表面改質（親水化、撥水など）、薄膜形成、アッシング、エッチング（洗浄を含む）などのプラズマ処理を行なことができる。被処理物１は、放電空間８を通過することによって、連続的に処理される。

処理ガスは、被処理物１のプラズマ処理の目的に応じて選択する。例えば、プラスチックフィルムの表面への印刷が容易になるように親水化処理を行う場合、公知の処理ガス、例えば酸素、フッ素系ガス（フルオロカーボンなど）を用いる。処理ガスは、窒素、アルゴン等の不活性ガスで希釈してもよい。また、放電空間８に処理ガスを供給しない状態でも、放電空間８で発生したプラズマによって、被処理物１の表面処理を行うことができる。

図１及び図２に示すように、ロール電極１０は、円筒形状の周壁１２と、周壁１２の両端と軸部２０，３０との間に延在し結合された二つの側壁２８，３８とを含む。周壁１２及び側壁２８，３８の外面は、誘電体１４で覆われ、放電による損傷から保護されるようになっている。例えば、外径が３００ｍｍ、軸方向の長さが１７００ｍｍの周壁１２と、側壁２８，３８との表面に、誘電体１４として厚さ１ｍｍ〜５ｍｍのシリコンゴムを被覆する。誘電体１４は、アルミナなどの溶射膜やセラミックなど、シリコンゴム以外であってもよい。軸部２０，３０は、筒部材３６の両端にそれぞれ固定され、筒部材３６を介して同軸に結合されている。ロール電極１０は、軸部２０，３０が回転自在に支持され、外部からの駆動によって回転する。

ロール電極１０の内側には、内側部材として、周壁１２に沿って間隔を設けて延在する内部周壁５０と、側壁２８，３８に沿って間隔を設けて延在する内部側壁５２，５４とが配置されている。内部側壁５２，５４は、内部周壁５０の両端と、軸部２０，３０とに結合されている。周壁１２及び側壁２８，３８と、内部周壁５０及び内部側壁５２，５４との間に、密閉空間５１，５３，５５が形成されている。

ロール電極１０が撓まないように、軸部２０，３０と内部周壁５０との間に延在し結合された内補強部材５６と、内部周壁５０と周壁１２との間に延在し結合された外補強部材５８とが設けられている。図２に示すように、外補強部材５８は、密閉空間５１内において、周方向に部分的に設けられている。

図１に示すように、一方の軸部２０には、先端側（図において左側）に内径が相対的に大きい大径穴２２が形成され、基端側に内径が相対的に小さい小径穴２４が形成され、大径穴２２と小径穴２４とは、軸部２０の中間で連通するようになっている。大径穴２２及び小径穴２４には管状部材４０が挿入され、大径穴２２の内周面と管状部材４０の外周面との間に筒状空間４４が形成され、二重管状になっている。小径穴２４の内周面と管状部材４０の外周面とは密着し、管状部材４０の一端が筒部材３６の中空穴３７に連通するようになっている。

他方の軸部３０には、基端（図において左端）から軸部３０の中間位置まで軸方向に延在する中心穴３２が形成されている。中心穴３２は、筒部材３６の中空穴３７に連通している。また、軸部３０の中間位置には、径方向に延在する接続穴３４が放射状に８本形成され、中心穴３２と密閉空間５５とを接続するようになっている。

二重管状になっている一方の軸部２０の先端側（図１において左側）において、冷媒が、矢印４３で示すように管状部材４０の中空穴４２を通って供給され、矢印４５で示すように、筒状空間４４を通って回収される。すなわち、冷媒は、順に、管状部材４０の中空穴４２、筒部材３６の中空穴３７、軸部３０の中心穴３２、軸部３０の接続穴３４、側壁３８と内部側壁５４との間の密閉空間５５、周壁１２と内部周壁５０との間の密閉空間５１、側壁２８と内部側壁５２との間の密閉空間５３、軸部２０の接続穴２６、軸部２０の大径穴２２の内周面と管状部材４０の外周面との間の筒状空間４４を通る。接続穴２６は、放射状に８本形成されている。冷媒は、液体（例えば、水、不凍液）でも、気体（例えば、空気）でもよい。

ロール電極１０に供給された冷媒は、全て、周壁１２に沿って形成された密閉空間５１内、すなわち放電面付近を流れるため、供給された冷媒の全てを冷却に有効に利用することができる。また、密閉空間５１は、周壁１２より径方向内側の空間のうち、周壁１２に沿って一部分にのみ形成されているため、ロール電極１０に供給する冷媒の量を減らすことができる。つまり、冷却したい部分にのみ冷媒を供給し、冷媒の供給量を減らし、効率よく冷却することができる。

また、冷媒の供給・回収は、ロール電極１０の片側（図１において左側）にまとめられているので、ロール電極１０の外部において、冷媒系の配管の取り回しが容易になる。

なお、冷媒は、矢印４３，４５で示した向きとは逆向きに流すことも可能である。この場合、筒状空間４４が形成され二重管状となっている部分において、密閉空間から流出した冷媒（以下、「流出冷媒」という。）の流路の周囲に、密閉空間に流入する冷媒（以下、「流入冷媒」という。）の流路が配置されることになる。そのため、流出冷媒からの放熱は、流入冷媒側にのみ伝わる。これに対して、矢印４３，４５で示す向きに冷媒を流せば、二重管状となっている部分において、流入冷媒の流路の周囲に流出冷媒の流路が配置されることになるため、流出冷媒からの放熱は、流入冷媒側のみならず、外部にも伝わるため、流出媒体から流入冷媒に与えられる熱量が相対的に少なくなり、容易により効率よく冷却することができるので、好ましい。

図３は、ロール電極１０の基本構成を模式的に示した要部構成図である。ロール電極１０は、放電面６６と、放電面６６の両端に連続する二つの側壁６２，６４とを有する中空構造である。ロール電極１０の内部には、内側部材７０が配置されている。内側部材７０は、二つの側壁６２，６４の内側と放電面６６の裏側との間に密閉空間７２，７４，７６を形成する。

密閉空間７２，７４，７６に冷媒を供給・回収するため、流入路６８と流出路７８とが設けられている。流入路６８は、一方の側壁６２側から他方の側壁６４付近まで延在し、他方の側壁６４側の密閉空間７４に連通する。流出路７８は、一方の側壁６２付近において、一方の側壁６２側の密閉空間７２に連通している。

冷媒は、図３において矢印で示すように、一方の側壁６２側から流入路６８を通り、他方の側壁６４側の密閉空間７４、放電面６６の裏側の密閉空間７６、他方の側壁６４側の密閉空間７２を通った後、流出路７８を通る。つまり、一方の側壁６２側に戻る。冷媒は、放電面６６の裏側の密閉空間７６を通るときに熱を吸収し、放電面６６を冷却する。

実施例１では、放電面６６はロール状（円筒形状）であり、図３の線Ａ−Ａに沿って切断した断面が円形であるが、次の変形例１、２のように、断面が四角形などの多角形であってもよい。

＜変形例１＞ 図４に示すように、放電面８０ａ，８２ａ同士が対向するように、断面が四角形の電極本体８０，８２を配置する。少なくとも一方の電極本体８２の内部に、電極本体８２の周壁に沿って密閉空間８４を形成するように、内側部材８６を配置する。このとき、密閉空間８４は、放電面８２ａを含め、電極８２の外周面全体の裏側に形成され、断面略口字状に連続して延在している。なお、断面の角は、円弧状等に丸めてもよい。被処理物は、放電面８０ａ，８２ａ間に配置したり、通過させるようにしたりしてもよい。また、被処理物はこの放電面間外に配置したり、通過させるようにしたりしてもよい。

＜変形例２＞ 図５は、図４に示した変形例１と略同様に構成されている。変形例１と異なり、電極８２の内部に配置される内側部材８８は、放電面８２ａと放電面８２ａの両端の各辺８２ｂ，８２ｄに沿って間隔を設けて配置され、断面略コ字状に密閉空間８５を形成する。すなわち、密閉空間８５は、放電面８２ａとは反対側８２ｃに沿っては形成されていない。

放電面８２ａで発生した熱が電極８２の放電面８２ａとは反対側８２ｃに伝達されるまでに、密閉空間８５を流れる冷媒によって十分に吸収され、放電面８２ａとは反対側８２ｃを冷却する必要がない場合に、図５のように構成することにより、冷媒が流れる流路断面を小さくし、使用する冷媒の量を減らし、放電面８２ａを効率よく冷却することができる。

＜まとめ＞ 以上に説明したように、電極本体の内部に内側部材を配置して密閉空間を形成し、この密閉空間に冷媒を流すことによって、冷却したい放電面付近に冷媒の全部又は大部分を供給し、冷媒の利用率を高めて冷媒供給量を減らし、電極の冷却を効率よく行うことができる。

なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、種々変更を加えて実施可能である。

例えば、実施例では大気圧下のプラズマ処理について説明したが、本発明はこれに限るものではなく、例えば、減圧下のプラズマ処理、大気圧下のコロナ放電処理などにも、適用することができる。

中空空間内に配置される内側部材は、中空であれば軽量化できるので好ましいが、中実であっても構わない。

放電処理装置の電極の縦断面図である。（実施例１） 放電処理装置の電極の横断面図である。（実施例１） 放電処理装置の要部構成図である。（実施例１） 放電処理装置の電極の構成図である。（変形例１） 放電処理装置の電極の構成図である。（変形例２）

符号の説明

１ 被処理物
６ 電極
１０ ロール電極
１２ 周壁（電極本体）
２０ 軸部（軸の一方側）
２２ａ 中心穴（第２冷媒路）
２６ 接続穴（第２冷媒路）
２８ 側壁（電極本体）
３０ 軸部（軸の他方側）
３２ 中心穴（第１冷媒路）
３２ａ 中心穴（第１冷媒路）
３４ 接続穴（第１冷媒路）
３７ 中空穴（第１冷媒路）
３８ 側壁（電極本体）
４２ 中空穴（第１冷媒路）
４４ 筒状空間（第２冷媒路）
５０ 内部周壁（内側部材）
５１ 密閉空間
５２ 内部側壁（内側部材）
５３ 密閉空間
５４ 内部側壁（内側部材）
５５ 密閉空間

Claims (2)

1. 対向する電極間に電圧を印加し、該電極間で放電を発生させて被処理物を処理する放電処理装置において、
   前記電極の少なくとも一つは、
   軸と、放電面となる外周面を有する周壁と、該周壁の両端と前記軸との間に延在し結合された二つの側壁とを少なくとも含み、内部に中空空間が形成される電極本体と、
   前記電極本体の前記中空空間内に配置され、前記電極本体の前記周壁と前記二つの側壁とに沿って間隔を設けて延在し、前記電極本体の前記周壁と前記二つの側壁との間に密閉空間を形成する内側部材と、
   前記密閉空間を介して互いに連通する、第１冷媒路及び第２冷媒路と、
   を備え、
   前記第１冷媒路は、前記軸の一方側から、前記電極本体の前記中空空間のうち前記密閉空間以外の部分を通って前記軸の他方側まで延在し、前記密閉空間の前記軸の他方側に連通し、
   前記第２冷媒路は、前記軸の一方側に配置され、前記密閉空間の前記軸の一方側に連通し、
   前記軸の一方側において、前記第１冷媒路の周囲に前記第２冷媒路が配置されて二重管状であり、
   冷媒は、前記第１冷媒路及び前記第２冷媒路の一方から供給され、他方から排出されることを特徴とする、放電処理装置。
2. 前記電極本体の前記周壁が円筒形状であり、
   前記内側部材は、前記電極本体の前記周壁と同軸に配置され、円筒形状の外周面を有することを特徴とする、請求項１に記載の放電処理装置。

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