JP4955027B2 - 排ガス処理装置における磁場によるプラズマの制御方法 - Google Patents
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Description
本発明は、排ガス処理装置における磁場によるプラズマの制御方法に関し、特に、磁場を発生させることによってプラズマの状態を制御することにより、プラズマを用いて行う排ガスの処理効率を向上することができるようにした排ガス処理装置における磁場によるプラズマの制御方法に関するものである。
従来、半導体の製造等で発生する排ガスの処理工程等において、プラズマを用いた排ガス処理装置が提案され、実用化されている（例えば、特許文献１参照）。
この排ガス処理装置において、処理する排ガスの分解効率を上げる方法として、（１）プラズマ長（放電距離）を長くする方法、（２）排ガスを導入する反応管の径を小さくする方法、（３）排ガスを反応管に対して接線方向から導入することにより旋回流を起こさせる方法等がある。
しかしながら、（１）のプラズマ長（放電距離）を長くする方法は、処理能力自体を高めるもので、処理効率は上がる反面、エネルギの消費量が増大するという問題があった。
また、（２）の反応管の径を小さくする方法は、プラズマと排ガスの接触効率が上がるため処理効率は上がる反面、処理の絶対量が減少し、また、反応管の管壁とプラズマが接近するため反応管が損傷を受けやすく、装置の耐久性の点で問題があった。
また、（３）の排ガスを反応管に対して接線方向から導入する方法は、プラズマと排ガスの接触効率が上がるため処理効率は上がるが、反応管の排ガスの導入部の構造が複雑になるという問題があった。
また、（２）の反応管の径を小さくする方法は、プラズマと排ガスの接触効率が上がるため処理効率は上がる反面、処理の絶対量が減少し、また、反応管の管壁とプラズマが接近するため反応管が損傷を受けやすく、装置の耐久性の点で問題があった。
また、（３）の排ガスを反応管に対して接線方向から導入する方法は、プラズマと排ガスの接触効率が上がるため処理効率は上がるが、反応管の排ガスの導入部の構造が複雑になるという問題があった。
本発明は、上記従来のプラズマを用いた排ガス処理装置の有する問題点に鑑み、エネルギの消費量を著しく増大させたり、処理の絶対量を低下させることなく、簡易な方法及び構造で、プラズマによって行う排ガスの処理効率を向上することができるようにした排ガス処理装置における磁場によるプラズマの制御方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の排ガス処理装置における磁場によるプラズマの制御方法は、縦置きした筒体からなるプラズマ放電部としての反応管内に導入した排ガスを、反応管の上部側に上部電極を、下部側に下部電極を配設し、該両電極間に電流の経路を形成することによって該反応管内に発生させたプラズマにより分解し処理する排ガス処理装置のプラズマ放電部に磁場を発生させることにより、プラズマ放電部に発生したプラズマの状態を制御するようにしたプラズマの制御方法であって、前記反応管の周囲に設けた水冷ジャケット内で、かつ、反応管の外周部に沿ってその長手方向の全長に亘ってコイルを巻き付けて配設し、該コイルに電流を流すことによって、前記反応管内に磁場を発生させることにより、前記プラズマの状態を制御するようにしたことを特徴とする。
本発明の排ガス処理装置における磁場によるプラズマの制御方法によれば、プラズマ放電部（プラズマ放電部である反応管内）に磁場を発生させることにより、プラズマ放電部（プラズマ放電部である反応管内）に発生したプラズマの状態を制御することによって、より具体的には、磁場の作用によってプラズマを形成している電子や荷電粒子にローレンツ力が働き、また、電子や荷電粒子の散乱を防止して、プラズマの状態を制御することができ、これにより、有効に使用されずに消費されるプラズマのロスを減少させ、エネルギの消費量を著しく増大させたり、処理の絶対量を低下させることなく、簡易な方法及び構造で、プラズマによって行う排ガスの処理効率を向上することができる。
また、磁場の発生は、プラズマ放電部（プラズマ放電部である反応管）の外周部にコイルを配設し、該コイルに電流を流すようにするという簡易な方法及び構造で実現することができる。
以下、本発明の排ガス処理装置における磁場によるプラズマの制御方法の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
図１に、排ガス処理装置における磁場によるプラズマの制御方法を用いた排ガス処理装置の一実施例を示す。
この排ガス処理装置は、大気圧下で電極間に発生するプラズマを利用して、例えば、ＣＦ４やＳＦ６等のＰＦＣガスのような排ガスに含まれる有害物質を分解し、処理するものである。
そして、この排ガス処理装置は、排ガスＧを導入するプラズマ放電部を構成する反応管１と、反応管１の上部側で気中に配設された上部電極２と、反応管１の下部側に配設された下部電極３とを備え、電極２、３間に電流の経路を形成して、反応管１内にプラズマＰを発生させるようにしている。
この場合において、上部電極２と下部電極３の間に電解質溶液Ｄを噴霧する噴霧ノズル４（本実施例においては、上部電極２が電解質溶液を噴霧する噴霧ノズル４を兼ねるようにしている。）を配設することができ、上部電極２と下部電極３の間に電解質溶液Ｄを噴霧することにより、反応管１内にプラズマを安定して発生させることができるようにしている。
反応管１は、縦置きされた筒体からなり、酸化アルミニウム、ムライト（酸化アルミニウムと二酸化ケイ素の化合物）、石英、ジルコニア等のセラミックや塩化ビニル樹脂等の合成樹脂等の耐熱材料で構成されている。
反応管１は空冷（参考例）でもよいが、本実施例では、プラズマ発生時には反応管１を冷却し、プラズマ停止時には水Ｈを反応管１の内部に溢流して洗浄する水冷ジャケット１１を反応管１の周囲に設けている。
水冷ジャケット１１の水Ｈは、プラズマ発生時には、水冷ジャケット１１の下部より導入されるとともに、オーバーフローライン１２から水槽６へ流れ、さらに、オーバーフローライン６２より排出される。なお、水Ｈとしては、新水を用いてもよいし、排水を循環させてもよい。
また、プラズマ停止時は、オーバーフローライン１２のバルブ１３を閉じることにより、水Ｈを反応管１の内部に溢流して洗浄する。
なお、排ガスＧは、反応管１の上部開口部から導入され、プラズマＰにより有害物質が分解された後、 反応管１の下部開口部から排出される。
反応管１は空冷（参考例）でもよいが、本実施例では、プラズマ発生時には反応管１を冷却し、プラズマ停止時には水Ｈを反応管１の内部に溢流して洗浄する水冷ジャケット１１を反応管１の周囲に設けている。
水冷ジャケット１１の水Ｈは、プラズマ発生時には、水冷ジャケット１１の下部より導入されるとともに、オーバーフローライン１２から水槽６へ流れ、さらに、オーバーフローライン６２より排出される。なお、水Ｈとしては、新水を用いてもよいし、排水を循環させてもよい。
また、プラズマ停止時は、オーバーフローライン１２のバルブ１３を閉じることにより、水Ｈを反応管１の内部に溢流して洗浄する。
なお、排ガスＧは、反応管１の上部開口部から導入され、プラズマＰにより有害物質が分解された後、 反応管１の下部開口部から排出される。
上部電極２は、ステンレス、ハステロイ、タングステン、ＳｉＣ等の導電性材料からなり、反応管１の上部開口部で気中に配設されており、電源装置５から高圧電流が印加される。そして、上部電極２と下部電極３は、どちらがプラスでもマイナスでもよい。
この場合において、上部電極２には、以下の構成のものを採用することができる。
（１）上部電極２が電解質溶液を噴霧する噴霧ノズル４を兼ねるようにしたもの（本実施例）
（１’）上部電極２と、電解質溶液を噴霧する噴霧ノズル４とを個別に配設するようにしたもの（図２（ａ））
（２）上部電極２の内部を冷却のための水Ｈが流れるようにしたもの（図２（ｂ））
（３）上部電極２の外部に冷却及び防食のための水を噴霧する噴霧ノズル４Ａを配設するようにしたもの（図２（ｃ））
（４）上部電極２の外部に冷却及び防食のためのシールドガス（不活性ガス）Ｇａを流すようにしたもの（図２（ｄ））
これにより、高温にさらされる上部電極２を効率的に冷却するとともに腐食を防ぎ、上部電極２が消耗することを防止することができるとともに、噴霧した冷却及び防食のための水Ｈは、スクラバーとして、排ガスＧの冷却や溶解、粉体の除去などの目的にも用いることができる。
（１）上部電極２が電解質溶液を噴霧する噴霧ノズル４を兼ねるようにしたもの（本実施例）
（１’）上部電極２と、電解質溶液を噴霧する噴霧ノズル４とを個別に配設するようにしたもの（図２（ａ））
（２）上部電極２の内部を冷却のための水Ｈが流れるようにしたもの（図２（ｂ））
（３）上部電極２の外部に冷却及び防食のための水を噴霧する噴霧ノズル４Ａを配設するようにしたもの（図２（ｃ））
（４）上部電極２の外部に冷却及び防食のためのシールドガス（不活性ガス）Ｇａを流すようにしたもの（図２（ｄ））
これにより、高温にさらされる上部電極２を効率的に冷却するとともに腐食を防ぎ、上部電極２が消耗することを防止することができるとともに、噴霧した冷却及び防食のための水Ｈは、スクラバーとして、排ガスＧの冷却や溶解、粉体の除去などの目的にも用いることができる。
下部電極３は、ステンレス、ハステロイ、タングステン、ＳｉＣ等の導電性材料からなり、反応管１の下方で、冷却及び防食のための水を噴霧するスクラバーノズルを兼ねるように形成されている。
下部電極３によって噴霧された冷却及び防食のための水Ｈは、水槽６からオーバーフローライン６２を介して排出される。なお、冷却及び防食のための水Ｈとしては、新水を用いてもよいし、排水を循環させてもよし、アンモニア水等の薬液を用いてもよい。
下部電極３によって噴霧された冷却及び防食のための水Ｈは、水槽６からオーバーフローライン６２を介して排出される。なお、冷却及び防食のための水Ｈとしては、新水を用いてもよいし、排水を循環させてもよし、アンモニア水等の薬液を用いてもよい。
この場合において、下部電極３には、以下の構成のものを採用することができる。
（５）下部電極３を冷却及び防食のための水を噴霧するノズル状に形成するようにしたもの（本実施例）
（６）下部電極３を冷却及び防食のための水Ｈが溢流する形状に形成するようにしたもの（図３（ａ））
（７）下部電極３の内部を冷却のための水Ｈが流れるようにしたもの（図３（ｂ））
（８）下部電極３の外部に冷却及び防食のための水を噴霧するスクラバーノズル６４を配設するようにしたもの（図３（ｃ））
（９）下部電極３を水槽６内に水没させるようにしたもの（図３（ｄ））
これにより、高温にさらされる下部電極３を効率的に冷却するとともに腐食を防ぎ、下部電極３が消耗することを防止することができるとともに、噴霧した冷却及び防食のための水Ｈは、スクラバーとして、排ガスＧの冷却や溶解、粉体の除去などの目的にも用いることができる。
（５）下部電極３を冷却及び防食のための水を噴霧するノズル状に形成するようにしたもの（本実施例）
（６）下部電極３を冷却及び防食のための水Ｈが溢流する形状に形成するようにしたもの（図３（ａ））
（７）下部電極３の内部を冷却のための水Ｈが流れるようにしたもの（図３（ｂ））
（８）下部電極３の外部に冷却及び防食のための水を噴霧するスクラバーノズル６４を配設するようにしたもの（図３（ｃ））
（９）下部電極３を水槽６内に水没させるようにしたもの（図３（ｄ））
これにより、高温にさらされる下部電極３を効率的に冷却するとともに腐食を防ぎ、下部電極３が消耗することを防止することができるとともに、噴霧した冷却及び防食のための水Ｈは、スクラバーとして、排ガスＧの冷却や溶解、粉体の除去などの目的にも用いることができる。
なお、本実施例において、上部電極２を兼ねた噴霧ノズル４は、反応管１の上部開口部に配設されており、上部電極２と下部電極３の間に電解質溶液Ｄを噴霧する。
この噴霧ノズル４による電解質溶液Ｄの噴霧は、プラズマＰの点火後に止めてもよいし、噴霧し続けてもよい。
電解質溶液Ｄの噴霧は、上部電極２と下部電極３の間に電流の経路を形成することができ、これにより、プラズマＰの発生を容易にすることができる。
なお、電解質溶液Ｄとしては、ＮａＣｌ、ＣａＣｌ２、ＭｇＣｌ２、ＮＨ４Ｃｌ、ＮａＯＨ等の電解質を溶解した溶液を用いることができ、特に、アルカリ性の電解質溶液を使用することにより、酸性の排ガスを中和することができる。
この噴霧ノズル４による電解質溶液Ｄの噴霧は、プラズマＰの点火後に止めてもよいし、噴霧し続けてもよい。
電解質溶液Ｄの噴霧は、上部電極２と下部電極３の間に電流の経路を形成することができ、これにより、プラズマＰの発生を容易にすることができる。
なお、電解質溶液Ｄとしては、ＮａＣｌ、ＣａＣｌ２、ＭｇＣｌ２、ＮＨ４Ｃｌ、ＮａＯＨ等の電解質を溶解した溶液を用いることができ、特に、アルカリ性の電解質溶液を使用することにより、酸性の排ガスを中和することができる。
そして、本実施例の排ガス処理装置においては、図１、図４及び図５（ａ）に示すように、排ガスＧを導入するプラズマ放電部を構成する反応管１及び（／又は）水冷ジャケット１１の外周部（本明細書において、包括的にプラズマ放電部の外周部又は反応管１の外周部という場合がある。）に、磁場発生手段７として、コイル７１を配設し、このコイル７１に電源装置７２から電流（特に限定されるものではないが、本実施例においては、直流電流）を流すことによって、プラズマ放電部（プラズマ放電部である反応管１内）に磁場（特に限定されるものではないが、本実施例においては、磁力線が上部電極２から下部電極３へ向く磁場）を発生させるようにする。
ここで、磁場発生手段７としてのコイル７１は、プラズマ放電部を構成する反応管１及び水冷ジャケット１１のいずれか一方の外周部に配設するようにすることもできる。
これにより、プラズマ放電部を構成する反応管１内に発生したプラズマＰの状態を制御することによって、より具体的には、磁場の作用によってプラズマＰを形成している荷電粒子にローレンツ力が働き、また、電子や荷電粒子の散乱を防止して、プラズマＰの状態を制御することができ、有効に使用されずに消費されるプラズマＰのロスを減少させ、エネルギの消費量を著しく増大させたり、処理の絶対量を低下させることなく、プラズマＰによって行う排ガスの処理効率を向上することができる。
ここで、磁場発生手段７としてのコイル７１は、プラズマ放電部を構成する反応管１及び水冷ジャケット１１のいずれか一方の外周部に配設するようにすることもできる。
これにより、プラズマ放電部を構成する反応管１内に発生したプラズマＰの状態を制御することによって、より具体的には、磁場の作用によってプラズマＰを形成している荷電粒子にローレンツ力が働き、また、電子や荷電粒子の散乱を防止して、プラズマＰの状態を制御することができ、有効に使用されずに消費されるプラズマＰのロスを減少させ、エネルギの消費量を著しく増大させたり、処理の絶対量を低下させることなく、プラズマＰによって行う排ガスの処理効率を向上することができる。
上記作用を、図６を用いて説明する。
磁力線と電子の流れ方向との角度をθとすると、電子及び反応管１内の粒子（中性粒子以外）にローレンツ力が働き、その力Ｆは下記の式（１）で表される。
Ｆ＝ｑ（Ｅ＋ｖ×Ｂｓｉｎθ） ・・・ （１）
ここで、Ｅは電界、ｑは電荷量、ｖは粒子の速度である。
θ＝０°の領域（反応管１の中央領域）では、Ｆ＝０となり、ローレンツ力は働かないが、電子やその他の荷電粒子が図６の垂直方向（反応管１内の中心）からずれて散乱しようとすると、Ｆが働くため、散乱が抑制される。
これにより、この領域では、反応管１へ衝突して消失するプラズマのロスを最小限にすることができる。
一方、θ≠０°の領域（反応管１の端部領域）では、ローレンツ力がｖとＢの両方に垂直力方向（ベクトルでいえばｖとＢの外積）に働く結果、垂直方向の運動エネルギは、これを保持したまま荷電粒子のサイクロトロン運動（スピン運動）へ変化する。
これにより、この領域では、プラズマ密度が高く、この領域を通過する排ガスＧは、磁場がない状態に比べて、熱電子や励起された荷電粒子への衝突確率が高くなるため、処理効率（分解効率）が向上することとなる。
磁力線と電子の流れ方向との角度をθとすると、電子及び反応管１内の粒子（中性粒子以外）にローレンツ力が働き、その力Ｆは下記の式（１）で表される。
Ｆ＝ｑ（Ｅ＋ｖ×Ｂｓｉｎθ） ・・・ （１）
ここで、Ｅは電界、ｑは電荷量、ｖは粒子の速度である。
θ＝０°の領域（反応管１の中央領域）では、Ｆ＝０となり、ローレンツ力は働かないが、電子やその他の荷電粒子が図６の垂直方向（反応管１内の中心）からずれて散乱しようとすると、Ｆが働くため、散乱が抑制される。
これにより、この領域では、反応管１へ衝突して消失するプラズマのロスを最小限にすることができる。
一方、θ≠０°の領域（反応管１の端部領域）では、ローレンツ力がｖとＢの両方に垂直力方向（ベクトルでいえばｖとＢの外積）に働く結果、垂直方向の運動エネルギは、これを保持したまま荷電粒子のサイクロトロン運動（スピン運動）へ変化する。
これにより、この領域では、プラズマ密度が高く、この領域を通過する排ガスＧは、磁場がない状態に比べて、熱電子や励起された荷電粒子への衝突確率が高くなるため、処理効率（分解効率）が向上することとなる。
なお、磁場発生手段７には、本実施例に示す、排ガスＧを導入するプラズマ放電部を構成する反応管１（及び／又は水冷ジャケット１１）の外周部に配設したコイル７１に電源装置７２から電流を流す方式のほか、図５（ｂ）及び（ｃ）に示す参考例のように、反応管１（及び／又は水冷ジャケット１１）の外周部に環状の磁石７３や棒状又はシート状の磁石７４を配設する方式を採用することもできる。
図１に示すように、排ガスＧを導入するプラズマ放電部を構成する反応管１及び水冷ジャケット１１の外周部に、磁場発生手段７として、コイル７１を配設し、このコイル７１に電源装置７２から電流（直流電流）を流すことによって、磁場（磁力線が上部電極２から下部電極３へ向く磁場）を発生させるようにし、排ガスＧとしてＣＦ４を分解するようにした。
その結果を、表１に示す。
その結果を、表１に示す。
表１に示すように、コイル７１に流す電流値を大きくするほど、ＣＦ４の分解率が上がることを確認した。
以上、本発明の排ガス処理装置における磁場によるプラズマの制御方法について、その実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に記載した構成に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。
本発明の排ガス処理装置における磁場によるプラズマの制御方法は、エネルギの消費量を著しく増大させたり、処理の絶対量を低下させることなく、簡易な方法及び構造で、プラズマによって行う排ガスの処理効率を向上することができるという特性を有していることから、上記実施例に記載したとおり、排ガス処理の用途に好適に用いることができる。
１ 反応管（プラズマ放電部）
１１ 水冷ジャケット
１２ オーバーフローライン
１３ バルブ
２ 上部電極
３ 下部電極
４ 噴霧ノズル
５ 電源装置
６ 水槽
７ 磁場発生手段
７１ コイル
７２ 電源装置
７３ 磁石
７４ 磁石
Ｇ 排ガス
Ｄ 電解質溶液
Ｐ プラズマ
Ｈ 水
１１ 水冷ジャケット
１２ オーバーフローライン
１３ バルブ
２ 上部電極
３ 下部電極
４ 噴霧ノズル
５ 電源装置
６ 水槽
７ 磁場発生手段
７１ コイル
７２ 電源装置
７３ 磁石
７４ 磁石
Ｇ 排ガス
Ｄ 電解質溶液
Ｐ プラズマ
Ｈ 水
Claims (1)
- 縦置きした筒体からなるプラズマ放電部としての反応管内に導入した排ガスを、反応管の上部側に上部電極を、下部側に下部電極を配設し、該両電極間に電流の経路を形成することによって該反応管内に発生させたプラズマにより分解し処理する排ガス処理装置のプラズマ放電部に磁場を発生させることにより、プラズマ放電部に発生したプラズマの状態を制御するようにしたプラズマの制御方法であって、前記反応管の周囲に設けた水冷ジャケット内で、かつ、反応管の外周部に沿ってその長手方向の全長に亘ってコイルを巻き付けて配設し、該コイルに電流を流すことによって、前記反応管内に磁場を発生させることにより、前記プラズマの状態を制御するようにしたことを特徴とする排ガス処理装置における磁場によるプラズマの制御方法。
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