JP5078792B2 - 誘電性構造体、誘電性構造体を用いた放電装置、流体改質装置、および反応システム - Google Patents

Description

本発明は、例えばプラズマ発生体として用いられる誘電性構造体、誘電性構造体を用いた放電装置、流体改質装置、および反応システムに関する。

プラズマは、反応系および光源系の様々な分野で利用されている。例えば、反応系では、窒素酸化物（ＮＯｘ）分解装置、炭化水素（ＨＣ）分解装置、ダイオキシン分解装置、飽和フッ化炭素及び化合物（ＰＦＣ）分解装置、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）、すす等の粒子状不純物（ＰＭ）除去装置、脱臭装置ウイルス除菌装置、オゾン発生装置、またはマイナスイオン発生装置等においてプラズマが利用されている。また、光源系では、例えば、プラズマランプ（蛍光灯、ネオン管など）、エッチング装置用光源、レジスト露光装置用光源、またはプラズマディスプレイにおいてプラズマが利用されている。

このプラズマを発生させるプラズマ発生体として、同軸円筒状に配された２つの電極間に直径１乃至３ｍｍの球状の誘電体を充填し、両電極間に高電圧を印加することにより、球状の誘電体同士の接触点近傍においてプラズマを発生させるパックトベッド方式のプラズマ発生体が広く知られている。パックトベッド方式のプラズマ発生体に流体を供給することにより、プラズマによって、流体を改質することができる。
特開２００１−２４７４８５号公報

しかしながら、パックトベッド方式のプラズマ発生体にて流体を改質する場合においては、球状の誘電体が充填された空間に流体を供給する必要があるため、処理流体の圧力損失が大きいという問題点があった。また、処理流体内に微粒子状不純物が存在した場合は、その不純物を球状の誘電体に表面吸着させることにより取り除くため、微粒子状不純物の除去効率が低いという問題点があった。

本発明の目的は、処理流体の圧力損失を低減でき、また、高効率で処理流体内の微粒子状不純物を取り除くことのできる誘電性構造体、誘電性構造体を用いた放電装置、流体改質装置、および反応システムを提供することである。

本発明の誘電性構造体は、第１表面と第２表面との間に少なくとも１つの貫通孔を有する誘電体と、前記誘電体における第１表面と第２表面との間に設けられ、少なくとも一部が貫通孔の内周面に沿って位置する第１導電体と第２表面上に設けられ、外縁部が該第２表面上に位置するとともに少なくとも一部が貫通孔の開口に沿って位置する第２導電体とを有しており、第１導電体と第２導電体は対向し、貫通孔に対応する位置に貫通孔をそれぞれ有した平板状の導体であり、貫通孔の貫通方向に平面透視したときに、第２導電体の外縁は、第１導電体の外縁の内側に位置しており、第１導電体が有する貫通孔の孔径は、第２導電体が有する貫通孔の孔径より大きい。この誘電性構造体を第１誘電性構造体という。

本発明の誘電性構造体は、第１表面と第２表面との間に少なくとも１つの貫通孔を有する複数の誘電体と、各誘電体における第１表面と第２表面との間にそれぞれ設けられ、少なくとも一部が貫通孔の内周面に沿って位置している第１導電体と、各誘電体における第２表面上にそれぞれ設けられ、外縁部が第２表面上に位置するとともに少なくとも一部が貫通孔の開口に沿って位置する第２導電体とを有し複数の誘電体は、第１導電体と第２導
電体が交互に位置するとともに、各誘電体に設けられた貫通孔が連通するように配列されており、第１導電体と第２導電体は対向し、貫通孔に対応する位置に貫通孔をそれぞれ有した平板状の導体であり、貫通孔の貫通方向に平面透視したときに、第２導電体の外縁は、第１導電体の外縁の内側に位置しており、第１導電体が有する貫通孔の孔径は、第２導電体が有する貫通孔の孔径より大きい。この誘電性構造体を第２誘電性構造体という。

好ましくは、前記の第１または第２誘電性構造体において、第２導電体は、貫通孔に対応する位置以外にも貫通孔を有する。この誘電性構造体を第３誘電性構造体という。

本発明の誘電性構造体は、第１表面と第２表面との間に少なくとも１つの貫通孔を有する誘電体と、第１表面と第２表面との間に設けられた第１導電体と、第２表面上に設けられ、外縁部が該第２表面上に位置する第２導電体とを有しており、第１導電体と第２導電体は対向し、貫通孔に対応する位置に貫通孔をそれぞれ有した平板状の導体であり、貫通孔の貫通方向に平面透視したときに、第２導電体の外縁は、第１導電体の外縁の内側に位置しており、第１導電体が有する貫通孔の孔径は、第２導電体が有する貫通孔の孔径より大きく、第１導電体と第２導電体との間に交流電圧またはパルス電圧を印加することにより、貫通孔の内部および第２導電体の外縁部にプラズマを発生可能な誘電性構造体とする。この誘電性構造体を第４誘電性構造体という。

本発明の放電装置は、前記の第１から第４誘電性構造体のいずれかの誘電性構造体と、第１導電体と第２導電体との間に交流電圧またはパルス電圧を印加するための第１電源と、前記第１導電体と前記第２導電体との間に直流電圧を印加するための第２電源とを備えた放電装置とする。

本発明の流体改質装置は、前記の放電装置と、貫通孔における第２導電体側から第１導電体側に流体を流す流体供給部を備えた流体改質装置とする。

本発明の反応システムは、前記の放電装置と、貫通孔における第１導電体側から第２導電体側に流体を流す流体供給部と、誘電性構造体に関して流体供給部と反対側に設けられた電極と、前記電極と前記第１導電体との間に直流電位を印加する第３電源とを備えた反応システムとする。

本発明の誘電性構造体によれば、処理流体の圧力損失を低減でき、また、高効率で処理流体内の微粒子状不純物を取り除くことができる。

本発明の放電装置によれば、処理流体の圧力損失を低減でき、また、高効率で処理流体内の微粒子状不純物を取り除くことができる。

本発明の流体改質装置によれば、処理流体の圧力損失を低減でき、また、高効率で処理流体内の微粒子状不純物を取り除くことができる。

本発明の反応システムによれば、処理流体の圧力損失を低減でき、高効率で処理流体内の微粒子状不純物を取り除くことができる。

以下に、添付の図面を参照して、本発明の誘電性構造体の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態による誘電性構造体の正面図であり、図２は、図１におけるＡ−Ａ’線における断面図である。本実施の形態による誘電性構造体１は、誘電体からなる基体２を備える。この基体２は、対向する第１表面Ｓ１および第２表面Ｓ２の間を貫通する貫通孔３を有する。基体２の内部には、対向する第１表面Ｓ１と第２表面Ｓ２との間に第１導電体４が配設される。第１導電体４は、基体２の貫通孔３に対応する位置に貫通孔５を有している。この貫通孔５の径は、基体２の貫通孔３の径よりも大きく、貫通孔５の開口は、貫通孔３の開口に沿って位置している。

また、基体２の第２表面Ｓ２には第１導電体４に対向して設けられるとともに、外縁部が第２表面Ｓ２上に位置する第２導電体６が設けられている。この第２導電体６も、基体２の貫通孔３に対応する位置に貫通孔７を有する。この貫通孔７の径は、基体２の貫通孔３の径と同じか、若しくは貫通孔３の径よりも大きく、貫通孔７の開口は、貫通孔３の開口に沿って位置している。

さらに、基体２の第１表面Ｓ１および第２表面Ｓ２に垂直な端面Ｓ３，Ｓ４には、第１導電体４に電力を供給するために第１導電体４と電気的に接続される外部端子８、および第２導電体６に電力を供給するために第２導電体６と電気的に接続される外部端子９がそれぞれ設けられる。

本実施の形態による誘電性構造体１では、第１導電体４に基準電位を供給し、第１導電体４と第２導電体６との間に交流電圧、又はパルス電圧を印加することにより、第１導電体４と第２導電体６との間の領域に対応する貫通孔３内の領域、および第２導電体６のエッジ、すなわち貫通孔７の開口部に沿って、沿面放電（プラズマ）を発生させることができる。なお、第１導電体４と第２導電体６との間の領域に対応する貫通孔３内の領域において、沿面放電が発生する場合、この領域を放電領域１１という。

また、本実施の形態による誘電性構造体１では、第１導電体４に基準電位を供給し、第１導電体４と第２導電体６との間に直流高電圧を印加することにより、基体２内部における第１導電体４と第２導電体６との間の領域に対応する貫通孔３内の領域に強電界を発生させることができる。なお、第１導電体４と第２導電体６との間の領域に対応する貫通孔３内の領域において、強電界が発生する場合、この領域を電界領域１２という。

基体２は、電気絶縁材料から成り、例えば、セラミックスから成る。具体的に、基体２を製造する場合には、セラミックグリーンシートを準備し、次に準備したセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともに必要に応じて複数枚積層し、高温（約１３００〜１８００℃）で焼成することにより製作される。電気絶縁材料としては、例えば、酸化アルミニウム焼結体（アルミナセラミックス）がある。例えば酸化アルミニウム質焼結体から成るグリーンシートは、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリカ（ＳｉＯ_２）、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となすとともにこれを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を採用し、シート状に成形することによって得られる。

セラミックグリーンシートの積層体を作製する場合には、セラミックグリーンシートを積層した後圧着を行なう。圧着は３．０〜８．０ＭＰａ程度の圧力を加えて行ない、必要に応じて３５〜１００℃で加熱を行なう。このとき、貫通孔３を形成するために、金型やレーザーを用いてグリーンシートに打ち抜き加工を施す。また、セラミックグリーンシート同士の十分な接着性を得るために、溶剤と樹脂バインダーを混合するなどして作製した接着剤を用いてもよい。なお、電気絶縁材料としては、酸化アルミニウム質焼結体以外にも、ムライト質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、コーディライト質焼結体、または炭化珪素質焼結体等が挙げられる。

本実施の形態による誘電性構造体１においては、第１導電体４は、基体２内に保持されており、第１導電体４には貫通孔３に対応する位置に貫通孔５が設けられている。また、第２導電体６は、基体２の第２表面Ｓ２上に保持されており、第２導電体６には貫通孔３に対応する位置に貫通孔７が設けられている。このため、第１導電体４に基準電位を供給し、第１導電体４と第２導電体６との間に交流電圧を印加することにより、貫通孔３の放電領域１１および第２導電体６の貫通孔７の開口部に沿った領域（以下、「開口部領域」ともいう。）に沿面放電（プラズマ）を発生させることができる。これにより、第２表面Ｓ２側から貫通孔３に供給された流体を、第２導電体６の貫通孔７の開口部領域、および放電領域１１において、プラズマと反応させることができる。これにより、流体内の微粒子状不純物とプラズマとを反応させることができる。

また、第１導電体４に基準電位を供給し、第１導電体４と第２導電体６との間に直流電圧を印加することにより、電界領域１２に電界を発生させることができる。ここで、第１導電体４と第２導電体６との間に交流電圧を印加した後に直流電圧を印加すると、放電領域１１においてプラズマとの反応により正または負に帯電した微粒子状不純物は、電界領域１２に電気的に引き寄せられ、電界領域１２に接する基体２の表面に電気的に吸着する。これにより、貫通孔４の内部を通過する流体から微粒子状不純物を取り除くことができる。

なお、第１導電体４、および第２導電体６はそれぞれ、その端部が基体２の外表面近傍まで導出されており、対応する外部端子８，９に直接に、または補助導電体を介して電気的に接続される。

第１導電体４および第２導電体６は、タングステン、モリブデン、白金、銅、または銀等の金属粉末導電体からなる。第１導電体４および第２導電体６は、スクリーン印刷法等の印刷手段を用いて、基体２用のセラミックグリーンシートの所定の位置に導電体ペーストを所望の形状に印刷塗布し、基体２用のセラミックグリーンシートと同時焼成することによって基体２の内部に所定のパターンに形成することができる。導電体ペーストは、主成分の金属粉末に有機バインダーおよび有機溶剤、並びに必要に応じて分散剤等を加えて、ボールミル、三本ロールミル、またはプラネタリーミキサー等の混練手段により混合および混練することにより製作される。導電体ペーストには、セラミックグリーンシートの焼結挙動に合わせたり、焼結後の基体２との接合強度を高めたりするためにガラスやセラミックスの粉末を添加しても良い。

次に、基体２の外表面には、外部端子８、９が形成されている。外部端子８、９は、外部電源から第１導電体４および第２導電体６に電圧を印加するための導電路として機能し、基体２の外表面に導出された第１導電体４および第２導電体６のそれぞれに電気的に接続されている。外部端子８、９は、タングステン、モリブデン、白金、銅、または銀等の金属粉末導電体からなり、スクリーン印刷法等の印刷手段を用いて、基体２用のセラミックグリーンシートの所定の位置に導電体ペーストを印刷塗布し、基体２用のセラミックグリーンシートと同時焼成することによって誘電性構造体１の所定の位置に形成することができる。

なお、第１導電体４、第２導電体、および外部端子８，９は、基体２用のセラミックグリーンシートに、第１導電体４および第２導電体用の導体ペースト、並びに外部端子８，９用の導電体ペーストを塗布して同時焼成することにより形成することができる。また、他の製造方法としては基体２用のセラミックグリーンシートと第１導電体４および第２導電体６用の導電体ペーストとを同時焼成し、その後、外部端子８、９用の導電体ペーストを所望の位置に印刷塗布し焼成することにより、外部端子８、９を誘電性構造体１の所定の位置に形成することができる。

外部端子８、９の導電体ペーストは、第１導電体４および第２導電体６の導電体ペーストと同様にして作製されるが、有機バインダーおよび有機溶剤の量により印刷に適した粘度に調製される。

なお、外部端子８、９の露出する表面には、ニッケルまたは金等の耐蝕性に優れる金属をめっき法若しくは蒸着法にて形成しておくことが好ましい。なお、外部端子８、９が酸化腐食するのを抑制するとともに、外部端子８、９と外部電源の電源端子との接合を強固なものとするために、厚みが１〜１０μｍ程度のニッケルめっき層と厚みが０．１〜３μｍ程度の金めっき層とが順次形成されていることが好ましい。なお、外部端子８、９においても、上述と同様に、高温下にて使用する場合には、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着しておいても構わない。

あるいは、外部端子８、９は、基体２用のセラミックグリーンシートの焼成後に、所定の位置に貼り付けられた鉄−ニッケル合金、鉄−ニッケル−コバルト合金、白金、銅、または銀等からなる金属板でもよい。例えば銀と銅を主成分とするロウ材、または比較的低温下にて使用する場合には錫若しくは銀を主成分としたロウ材を基体２用のセラミックグリーンシートの焼成後に所望の位置に印刷塗布し、ロウ材と同じ位置に金属板を位置決め固定する。その後、ロウ材の溶融温度にてブレージングまたはリフローを行うことで基体２に形成された外部端子８、９に接合することができる。また、更に低温下にて使用する場合には、銀などの金属粉末とエポキシ等の樹脂と有機溶剤を混練しペースト状とした導電性ペーストを使用しても良い。

そして、外部交流電源の基準電位側電源端子を圧接または接合等の手段により外部端子８に電気的に接続し、高電圧側電源端子を圧接または接合等の手段により外部端子９に電気的に接続して交流高電圧を印加すると、放電領域１１に沿面放電を発生させることができる。

また、外部直流電源の基準電位側電源端子を圧接または接合等の手段により外部端子８に電気的に接続し、高電圧側電源端子を圧接または接合等の手段により外部端子９に電気的に接続して直流高電圧を印加すると、電界領域１２を形成することができる。

以下に、誘電性構造体１の外部端子８，９間に電圧が印加され、貫通孔３に流体が供給された場合の誘電性構造体１の動作について、図３を参照して説明する。まず、第１導電体４と第２導電体６との間に電源Ｖ１により交流電圧を印加して、放電領域１１に沿面放電を発生させる。そして、誘電性構造体１の貫通孔３に、第２導電体６が形成されている第２表面Ｓ２側の開口部から、流体供給部１３により流体が供給されると、流体内の微粒子状不純物は、放電領域１１において沿面放電領域を通過することとなり、プラズマ（励起電子）授受によって、分解される。

例えば、Ｃ（すす）は、酸素濃度が１０％程度以上の酸素条件下において、下記の式（１）に示された反応により酸化改質して、ＣＯ_２が生成される。

Ｃ＋Ｏ_２→ ＣＯ_２・・・・・・・・・・（１）
また、例えば、Ｃ_ｎＨ_ｍ（有機物）は、酸素濃度が１０％程度以上の酸素条件下において、下記の式（２）に示された反応により酸化改質して、ＣＯ_２及びＨ_２Ｏが生成される。

Ｃ_ｎＨ_ｍ＋２Ｏ_２→ Ｃ_ｎ−１Ｈ_ｍ−４＋ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ・・・（２）
さらに、流体中の微粒子状不純物の一部は、プラズマによって正または負に帯電される。

次に、外部端子８、９を電源Ｖ２に接続して、外部端子８，９に印加する電圧を直流高電圧に切り替えることにより、帯電した微粒子状不純物を電界領域１２に引き寄せ、第２導電体６および第２導電体６近傍の基体２の表面に、その帯電した微粒子状不純物を電気的に吸着させることができる。これにより、流体中の微粒子状不純物を取り除くことができる。

なお、第１導電体４と第２導電体６との間に沿面放電を発生させるために、第１導電体４と第２導電体６との間には周波数の高い交流電圧が印加される。印加される交流電圧は、必要とされる沿面放電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気ガス中のＣ（すす）を改質する誘電性構造体１において印加される交流電圧の周波数は、例えば、１ｋＨｚ〜１００ＭＨｚである。

また、第１導電体４と第２導電体６との間に印加する電圧は、交流電圧以外に、パルス電圧であってもよい。なお、交流電圧は、正弦波電圧に限らず、矩形波電圧若しくは方形波電圧等であってよい。

また、第１導電体４と第２導電体６との間に直流電圧を印加する場合、直流電圧は、必要とされる電界強度の大きさ等により適宜選択される。例えば、ディーゼルエンジンの排気ガス中のＣ（すす）を放電領域１１にて帯電させ、その後、第２導電体６および第２導電体６近傍の基体２の表面に帯電したＣ（すす）を電気的に吸着するときに印加される直流電圧の大きさは、１ｋＶ〜５０ｋＶあるいは−５０ｋＶ〜−１ｋＶである。

なお、誘電性構造体１と、第１導電体４と第２導電体６との間に交流電圧またはパルス電圧を印加するための電源Ｖ１と、第１導電体４と第２導電体６との間に直流電圧を印加するための電源Ｖ２は、放電装置を構成する。また、この放電装置と、貫通孔３における第２導電体６側から第１導電体４側に流体を流す流体供給部１３は、流体改質装置を構成する。

上述のように、本実施の形態による誘電性構造体１は、球状の誘電体が充填されたパックトヘッド方式のプラズマ発生体と比較して、処理流体の圧力損失を低減でき、高効率に処理流体内の微粒子状不純物を取り除くことができる。

また、誘電性構造体１は、流体が供給される側の表面に第２導電体６が設けられ、第２導電体６の貫通孔７に沿って、すなわち誘電性構造体１の流体流入口に沿って沿面放電が発生することから、流体中の微粒子状不純物は、誘電性構造体１の流体流入口においてプラズマと反応して電荷を有する。よって、第１導電体４と第２導電体６との間に直流電圧を印加すると、これらの微粒子状不純物は、電界領域１２に引き寄せられる。これにより、流体が誘電性構造体１に供給された際に、微粒子状不純物が貫通孔３の開口付近に付着、および堆積することを抑制でき、例えば、微粒子状不純物が貫通孔３の開口を塞いで、流体が流れにくくなるといったことを抑制することができる。また、第２導電体６の表面に堆積する微粒子状不純物の全体量を低減できることから、流体の圧力損失の増大を抑制でき、その結果、流体中の微粒子状不純物を長期に渡ってより安定して分解および改質することができる。

また、図４に示すように、複数の基体２を配列して誘電性構造体１８を形成してもよい。ここで、誘電性構造体１８は、第１表面と第２表面との間に少なくとも１つの貫通孔３ａ，３ｂ，３ｃを有する複数の基体２ａ、２ｂ、２ｃと、各基体２ａ，２ｂ，２ｃにおける第１表面と第２表面との間にそれぞれ設けられた第１導電体４ａ，４ｂ，４ｃと、各基体２ａ，２ｂ，２ｃにおける第２表面上にそれぞれ設けられ、外縁部が第２表面上に位置する第２導電体６ａ，６ｂ，６ｃとを有している。複数の基体２ａ、２ｂ、２ｃは、第１導電体４ａ，４ｂ，４ｃと第２導電体６ａ，６ｂ，６ｃが交互に位置するとともに、各基体２に設けられた貫通孔３ａ、３ｂ、３ｃが連通するように配列されている。

このような誘電性構造体１８においては、貫通孔３ａに進入する流体中の微粒子状不純物が多い場合は、放電空間１１ａ、１１ｂ、１１ｃ全てにプラズマを発生させて、流体中の微粒子状不純物の分解、改質を行う。また、貫通孔３ａに進入する流体中の微粒子状不純物が少ない場合は、放電空間１１ａ、１１ｂ、１１ｃのいずれか１つにプラズマを発生させて、流体中の微粒子状不純物の分解、改質を行う。このように、誘電性構造体１８では、流体中の微粒子状不純物の量に応じて消費電力を適切に制御しつつ、微粒子状不純物の分解および改質を行うことが可能である。

また、誘電性構造体１８では、第１導電体５ａ、５ｂ、５ｃと第２導電体６ａ、６ｂ、６ｃとの間に印加する電圧をそれぞれ変化させることができることから、放電空間１１ａ、１１ｂ、１１ｃに発生するプラズマ量、プラズマ発生の周波数、及びプラズマ強度を放電空間１１ａ、１１ｂ、１１ｃ毎に変化させることが可能である。このため、流体中の複数種類の微粒子状不純物に対して異なる分解効率で分解を行うことが可能である。例えば、放電空間１１ａでは、主にＣ（すす）を分解し、放電空間１１ｂでは、主にＣ_ｎＨ_ｍを分解するといったように、放電空間１１ａ，１１ｂ，１１ｃによって分解する物質を異ならせることができる。

なお、第１導電体４と第２導電体６は、それぞれ少なくとも一部が貫通孔３の内周面に沿った領域を有していれば、第１導電体４と第２導電体６との間に交流電圧を印加した場合に、貫通孔３に沿面放電が発生する。よって、第１導電体４と第２導電体６は、必ずしも対向して配置されていなくともよい。しかし、第１導電体４と第２導電体６とを対向させて配置すると、第１導電体４と第２導電体６との間に発生する電界強度がより均一になり、その結果、放電空間１１に発生するプラズマ密度もより均一となるため、より安定した微粒子状不純物の分解、改質が可能となる。

また、本実施の形態の誘電性構造体１において、第１導電体４および第２導電体６は、貫通孔３に対応する位置に貫通孔をそれぞれ有した平板状の導体である。このように、平板状の導体であると、第１導電体４および第２導電体６に電圧を印加した場合、電界集中する凸部が低減され、より均一な電界強度を得ることができる。その結果、放電空間１１に発生するプラズマ密度もより均一となるため、より安定した微粒子状不純物の分解、改質が可能である。

なお、本実施の形態の誘電性構造体１において、第２導電体６は、貫通孔３に対応する位置以外にも貫通孔を有していてもよい。図５は、そのような場合の誘電性構造体１の変形例を示す断面図である。図５に示すように、第２導電体６は、貫通孔３に対応する位置に貫通孔７ａを有するとともに、別の位置にも貫通孔７ｂを有する。このような誘電性構造体においては、第２導電体６の貫通孔７ｂに沿った領域にも、沿面放電を発生させることが可能である。その結果、貫通孔７ｂの開口部領域に付着、堆積した微粒子状不純物もより効率的に分解、改質することが可能になる。よって、長期使用する場合、振動等で脱落し流体流入口に堆積する可能性のある微粒子状不純物の堆積をあらかじめ除去することができ、長期に渡りより安定した分解、改質効率を得ることが可能である。

また、本実施の形態の誘電性構造体１において、貫通孔３の貫通方向に平面透視したときに、第２導電体６の外縁部は、第１導電体４の外縁部の外側に位置しているが、内側に位置していると、その第２導電体６の外縁部に沿って沿面放電が発生しやすくなる。このように外縁部に沿って沿面放電を生じさせると、第２導電体６の外縁部付近に付着、堆積した微粒子状不純物もより効率的に分解、改質することが可能になる。

なお、上述の説明において、外部端子８、９に直流電圧を印加した後、再度交流電圧に切り替えると、再び放電領域１１が形成され、基体２の表面に吸着した微粒子状不純物を、プラズマによって分解、改質することができる。

このように外部端子８，９に印加する電圧を制御すると、最初の沿面放電において分解できなかった微粒子状不純物も、帯電させて基体２の表面に吸着させた後、再びプラズマにより分解、改質させることができることから、微粒子状不純物の除去をより十分に行うことができる。さらに、基体２に付着した微粒子状不純物も除去することが可能であるから、流体の圧力損失の増大をより抑制することが可能となり、その結果、流体中の微粒子状不純物を長期に渡ってより安定して分解および改質することができる。

なお、上述の説明では、粒子状不純物のみ着目しているが、例えばＮＯｘ等の流体中に含まれる他の物質も、放電領域１１によりプラズマと反応し、分解および改質が行われる。

（第２の実施の形態）
図６は、本発明の第２の実施の形態による誘電性構造体の構成例を示す断面図である。図６では、第１の実施の形態による誘電性構造体１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。本実施の形態による誘電性構造体２１では、第２導電体６が、第２表面Ｓ２ではなく、第1表面Ｓ１に設けられている。

このとき、外部端子８，９を介して、第１導電体４と第２導電体６との間に交流電圧が印加されると、放電領域１１および第２導電体６の貫通孔７の開口部領域に沿面放電が発生する。そして、流体供給部１３により供給された流体がこの沿面放電領域を通過すると、流体中の粒子状不純物は、プラズマと反応して、その一部が分解および改質され、その一部は帯電した状態となる。次に、第１導電体４に基準電位が供給され、第１導電体４と第２導電体６との間に直流電圧が印加されると、帯電した粒子状不純物は電界領域１２に引き寄せられ、電界領域１２に接する基体２の表面に電気的に吸着する。

このように本実施の形態による誘電性構造体２１においても、球状の誘電体が充填されたパックトヘッド方式のプラズマ発生体と比較して、処理流体の圧力損失を低減でき、高効率に処理流体内の微粒子状不純物を取り除くことができる。

また、本実施の形態による誘電性構造体２１においては、流体が排出される側の表面に第２導電体６が設けられ、第２導電体６の貫通孔７に沿って、すなわち誘電性構造体１の流体排出口に沿って沿面放電が発生する。ここで、流体の流れる方向において、誘電性構造体２１の下流側に電極２２を配置することにより、以下のような動作を実現することができる。まず、第１導電体４に基準電位を供給し、第１導電体４と第２導電体６との間に電源Ｖ１により交流電圧を印加して、放電領域１１および第２導電体６の貫通孔７の開口部領域に沿面放電を発生させる。そして、第１導電体４と第２導電体６との間に交流電圧を印加した状態で、電極２２と第１導電体４との間に電源Ｖ３を用いて直流電圧を印加する。すると、第２導電体６側に発生したプラズマは、この電極２２に引き寄せられて、プラズマ領域が下流側に拡大する。これにより、放電領域１１において帯電した粒子状不純物は、電極２２に引き寄せられるとともに、その電極２２まで移動する間に、プラズマ領域において、反応し、改質される。すなわち、より多くの粒子状不純物を分解、改質させることが可能になる。

なお、誘電性構造体１、第１導電体４と第２導電体６との間に交流電圧またはパルス電圧を印加するための電源Ｖ１、第１導電体４と第２導電体６との間に直流電圧を印加するための電源Ｖ２、貫通孔３における第１導電体４側から第２導電体６側に流体を流す流体供給部１３、誘電性構造体２１に関して流体供給部１３と反対側に設けられた電極２２、電極２２と第１導電体４との間に直流電位を供給する第３電源Ｖ３は、反応システムを構成する。

（第３の実施の形態）
図７は、本発明の第３の実施の形態に係る反応装置１００の構造的な構成を示す概念図である。なお、第１の実施の形態と同様の構成については、第１の実施の形態と同一符号を付して説明を省略する。

反応装置１００は、第１の実施の形態の誘電性構造体１を備え、誘電性構造体１により被処理流体を処理して排出する装置として構成されている。被処理流体は、例えば、自動車の内燃機関の排気ガスであり、貫通孔３における化学変化によりＮＯｘが改質される。また、例えば、被処理流体は、冷蔵庫やエアコンに冷却媒体として使用されたフロンであり、貫通孔３における化学変化によりフロンが分解される。なお、以下では、反応装置１００のうち、誘電性構造体１以外の部分を、反応装置本体部１０１ということがある。

反応装置本体部１０１は、被処理流体を供給する流体源１０３と、流体源１０３から誘電性構造体１に被処理流体を導く供給管１０５と、誘電性構造体１により処理された被処理流体を排出する排出管１０７と、被処理流体の流動を制御するための被処理流体用ポンプ１０９と、冷却媒体を供給する冷媒源１１１と、冷媒源１１１から誘電性構造体１に冷却媒体を導く供給用流動管５０Ａ（冷却部の一例）と、誘電性構造体１から冷媒源１１１に冷却媒体を導く排出用流動管５０Ｂと、冷却媒体の流動を制御するための冷却媒体用ポンプ１１３（冷却部の一例）とを備えている。なお、上記流体源１０３および供給管１０５は、流体供給部をなす。

流体源１０３は、被処理流体としての排気ガスを排出する自動車の内燃機関等、被処理流体を生成するものである。あるいは、流体源１０３は、使用済みの冷蔵庫やエアコンの冷却媒体を保持したタンク等、被処理流体を保持するものである。

供給管１０５は、一端側が、流体源１０３の被処理流体を生成又は保持する空間に連通し、他端側が、誘電性構造体１の貫通孔３に連通している。供給管１０５の誘電性構造体１側は、貫通孔３の数に対応して第１分岐部１０５ａＡ、第２分岐部１０５ａＢ、第３分岐部１０５ａＣ（以下、単に「分岐部１０５ａ」といい、これらを区別しないことがある。）に分岐し、第１分岐部１０５ａＡ〜第３分岐部１０５ａＣは、それぞれ貫通孔３Ａ〜貫通孔３Ｃに連通している。

排出管１０７は、一端側が、誘電性構造体１の貫通孔３に、供給管１０５とは反対側から連通し、他端側が、大気に開放され、又は、処理後の被処理流体を保持若しくは処理後の被処理流体に別の処理を施す不図示の空間に連通している。排出管１０７の誘電性構造体1側は、貫通孔３の数に対応して第１分岐部１０７ａＡ、第２分岐部１０７ａ
Ｂ、第３分岐部１０７ａＣ（以下、単に「分岐部１０７ａ」といい、これらを区別しないことがある。）に分岐し、第１分岐部１０７ａＡ〜第３分岐部１０７ａＣは、それぞれ貫通孔３Ａ〜貫通孔３Ｃに連通している。なお、排出管１０７は、省略されてもよい。例えば、処理後の被処理流体が貫通孔３から大気へ直接的に排出されてもよい。

供給管１０５及び排出管１０７は、金属や樹脂などの適宜な材料により形成されている。供給管１０５及び排出管１０７は、可撓性を有していてもよいし、有していなくてもよい。分岐部１０５ａ及び分岐部１０７ａと、貫通孔３との接続は、例えば、分岐部１０５ａ及び分岐部１０７ａの端部を、基体２における貫通孔３の開口を有していない側面に当接させて、接着剤や螺合部材などの適宜な固定部材により分岐部１０５ａ及び分岐部１０７ａと基体２とを固定することにより行われる。なお、分岐部１０５ａ及び分岐部１０７ａを貫通孔３に嵌合挿入したり、流出用接続管等の突出した環状部分を貫通孔３の端部に基体２と一体的に形成し、その突出部分を分岐部１０５ａ及び分岐部１０７ａに嵌合挿入することにより行われてもよい。

被処理流体用ポンプ１０９は、供給管１０５及び排出管１０７の少なくともいずれかに設けられている。図７では、供給管１０５に設けられた場合を例示している。なお、流体源１０３が内燃機関である場合など、流体源１０３の動力により被処理流体が流動される場合には、被処理流体用ポンプ１０９は省略されてもよい。また、被処理流体用ポンプ１０９は、誘電性構造体１に設けることも可能である。被処理流体用ポンプ１０９は、ロータリーポンプや往復ポンプ等の適宜なポンプにより構成されてよい。

冷媒源１１１は、例えば、熱交換器を含んで構成され、排出用流動管５０Ｂからの冷却媒体の温度を熱交換器により降下させて供給用流動管５０Ａに供給する。なお、冷媒源１１１は、冷却媒体を供給することができればよく、排出用流動管５０Ｂからの冷却媒体を受け入れて冷却媒体を循環させるものでなくてもよい。すなわち、排出用流動管５０Ｂからの冷却媒体は、冷媒源１１１とは異なる場所へ排出されてよい。例えば、冷却媒体として水道水が利用されるような場合に、排出用流動管５０Ｂからの水は、冷媒源１１１としての水源とは異なる場所へ排出されてよい。逆に、冷却媒体が循環される構成である場合には、冷媒源１１１は省略されてもよい。

供給用流動管５０Ａは、一端が冷媒源１１１に連通するとともに、他端が、上述のように、流入用接続管等を介して誘電性構造体１の貫通孔３（流路）に連通している。排出用流動管５０Ｂは、一端が、基体２に一体的に設けられた流出用接続管等を介して誘電性構造体１の貫通孔３に連通するとともに、他端が冷媒源１１１に連通している。流動管５０は、金属や樹脂などの適宜な材料により形成されている。流動管５０は、可撓性を有していてもよいし、有していなくてもよい。

冷却媒体用ポンプ１１３は、供給用流動管５０Ａ及び排出用流動管５０Ｂの少なくともいずれかに設けられている。図７では、供給用流動管５０Ａに設けられた場合を例示している。なお、冷媒源１１１が高位置にあるタンクであり、重力により冷却媒体を流動させることができるなど、適宜に冷却媒体を流動させる動力が得られる場合には、冷却媒体用ポンプ１１３は省略されてもよい。また、冷却媒体用ポンプ１１３は、誘電性構造体１に設けることも可能である。冷却媒体用ポンプ１１３は、ロータリーポンプや往復ポンプ等の適宜なポンプにより構成されてよい。

図８は、反応装置１００の電気系の構成を示すブロック図である。ここでは、例として、基体２の内部に基体２の温度を検出するための温度検出素子１１５と、基体２を加熱するためのヒータ１１６とが設けられているものする。また、基体２の表面に、第１導電鯛４および第２導電体６に電圧を印加するための外部端子８および外部端子９、温度検出素子１１５からの電気信号を出力ためのセンサ用端子１１８、ヒータ１１６に電力を供給するためのヒータ用端子１１９がそれぞれ露出しているものとする。

反応装置本体部１０１は、導電体用端子１１７、センサ用端子１１８、ヒータ用端子１１９に接続される装置側導電体用端子１４１、装置側センサ用端子１４３、装置側ヒータ用端子１４５を備えている。誘電性構造体１は、これら端子を介して反応装置本体部１０１から電力が供給されて駆動制御される。具体的には、以下のとおりである。

電源部１２１は、例えば、バッテリを含んで構成され、バッテリからの直流電力を適宜な電圧の交流電力又は直流電力に変換して供給する。あるいは、商用周波数の交流電力を適宜な電圧の交流電力又は直流電力に変換して供給する。電源部１２１の電力は、制御部１２３、放電制御部１２５、温度検出部１２７、ヒータ駆動部１２９、被処理流体用ポンプ１０９、冷却媒体用ポンプ１１３に供給される。

放電制御部１２５は、電源部１２１から供給される電力を、制御部１２３からの制御信号に応じた電圧の交流電力に変換し、その変換後の電力を装置側導電体用端子１４１及び導電体用端子１１７を介して第１導電体４と第２導電体６に供給する。放電制御部１２５は、例えば、インバータや変圧器等の電源回路を含んで構成されている。このとき、放電領域１１では、放電制御部１２５により印加された電圧に応じた量の放電が行われる。

また、放電制御部１２５は、電源部１２１から供給される電力を、制御部１２３からの制御信号に応じた電圧の直流電圧に変換し、その変換後の電力を装置側導電体用端子１４１及び導電体用端子１１７を介して第１導電体４と第２導電体６に供給する。放電制御部１２５は、例えば、インバータや変圧器等の電源回路を含んで構成されている。このとき、電界領域１２では、放電制御部１２５により印加された電圧に応じた電位勾配が形成され、帯電領域１２に帯電した微粒子状不純物を捕集することができる。

温度検出部１２７は、例えば、温度検出素子１１５が温度変化により抵抗値が変化する抵抗体により構成されている場合、電源部１２１から供給される電力を適宜な電圧の直流電力又は交流電力に変換し、その変換した電力を装置側センサ用端子１４３及びセンサ用端子１１８を介して温度検出素子１１５に供給する。そして、温度検出素子１１５は、温度検出素子１１５の抵抗値を検出し、その検出した抵抗値に応じた信号を制御部１２３に出力する。温度検出素子１１５は、検出した抵抗値に基づいて温度検出素子１１５の温度を算出し、その算出値に応じた信号を制御部１２３に出力してもよい。

ヒータ駆動部１２９は、電源部１２１から供給される電力を、制御部１２３からの制御信号に応じた電圧の直流電力又は交流電力に変換し、その変換した電力を装置側ヒータ用導電体１４５及びヒータ用導電体１１９を介してヒータ１１６に供給する。ヒータ駆動部１２９は、例えば、整流回路や変圧器等の電源回路を含んで構成されている。ヒータ１１６では、ヒータ駆動部１２９により印加された電圧に応じた量の発熱が行われる。

被処理流体用ポンプ１０９及び冷却媒体用ポンプ１１３はそれぞれ、例えば、特に図示しないが、ポンプの駆動源としてのモータと、当該モータを駆動するモータドライバとを含んで構成されており、モータドライバは、電源部１２１から供給される電力を、制御部１２３からの制御信号に応じた電圧の交流電力又は直流電力に変換してモータに印加する。モータは、印加された電圧に応じた回転数で回転し、ひいては、印加された電圧に応じた力が被処理流体や冷却媒体に加えられる。

入力部１３１は、ユーザの操作を受け付け、ユーザの操作に応じた信号を制御部１２３に出力する。例えば、入力部１３１は、反応装置１００の駆動開始操作、駆動停止操作、温度設定や流量制御に係る各種のパラメータの設定操作を受け付け、操作に応じた信号を出力する。入力部１３１は、例えば、各種スイッチを含んだ制御パネルやキーボードにより構成されている。

制御部１２３は、例えば、特に図示しないが、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び外部記憶装置を備えたコンピュータにより構成されている。制御部１２３は、温度検出部１２７や入力部１３１からの信号に基づいて、放電制御部１２５、ヒータ駆動部１２９、被処理流体用ポンプ１０９及び冷却媒体用ポンプ１１３に制御信号を出力する。

例えば、制御部１２３は、入力部１３１から反応装置１００の駆動開始操作に応じた信号が入力された場合には、導電体用端子１１７への電力の供給を開始するように放電制御部１２５に制御信号を出力し、入力部１３１から反応装置１００の駆動停止操作に応じた信号が入力された場合には、第１導電体４および第２導電体６への電力の供給を停止するように放電制御部１２５に制御信号を出力する。

また、例えば、制御部１２３は、温度検出部１２７により検出される温度が、誘電性構造体１が効率的に沿面放電を発生させることができる温度として設定された所定の目標温度に達していないと判定した場合は、第１導電体４および第２導電体６へ供給する電力を、通常運転時に供給する電力よりも増加させるように、放電制御部１２５に制御信号を出力し、誘電性構造体１が目標温度に到達した場合には、第１導電体４および第２導電体６へ供給する電力を通常運転時に供給する電力に維持するように、放電制御部１２５に制御信号を出力する。

また、例えば、制御部１２３は、温度検出部１２７により検出される温度が、誘電性構造体１が効率的にプラズマを発生させることができる温度として設定された所定の目標温度に達していないと判定した場合は、ヒータ１１６へ電力を供給し、又は、ヒータ１１６へ供給する電力を増加させるように、ヒータ駆動部１２９に制御信号を出力する。そして、誘電性構造体１が目標温度に到達した場合には、ヒータ１１６へ供給する電力を減少させ、又は、ヒータ１１６への電力の供給を停止するように、ヒータ駆動部１２９に制御信号を出力する。

また、例えば、制御部１２３は、温度検出部１２７により検出される温度と、誘電性構造体１が効率的に沿面放電を発生させることができる温度、あるいは、誘電性構造体１や反応装置本体部１０１が安全に運転される温度として設定された所定の目標温度とを比較し、検出された温度が目標温度よりも高い場合には冷却媒体の流速を高く、低い場合には冷却媒体の流速を低くするように、冷却媒体用ポンプ１１３へ制御信号を出力する。

また、例えば、制御部１２３は、温度検出部１２７により検出される温度が、誘電性構造体１が効率的に沿面放電を発生させることができる温度として設定された所定の目標温度に達していないと判定した場合は、被処理流体の流速を低く、達したと判定した場合は、被処理流体の流速を高くするように、被処理流体用ポンプ１０９へ制御信号を出力する。

また、例えば、制御部１２３は、温度検出部１２７により検出される温度と、誘電性構造体１や反応装置本体部１０１が安全に運転される温度として設定された所定の温度範囲とを比較し、検出された温度が設定された温度範囲を超えた場合には、不図示の表示装置やスピーカ等の報知部に、異常の発生を報知するように制御信号を出力する。

以上の第３の実施の形態によれば、反応装置１００は、第１の実施の形態の誘電性構造体１と、貫通孔３に被処理流体を供給する供給管１０５と、貫通孔３でプラズマ発生を行なって被処理流体を化学変化させた反応流体を排出するための排出管１０７とを備えているから、第１の実施の形態と同様に、誘電性構造体１の耐久性の向上や誘電性構造体１の小型化の効果が得られ、ひいては、反応装置１００の耐久性の向上や小型化の効果が得られる。

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、発電機等に使用されるディーゼルエンジン等の排気ガスの改質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誘電性構造体およびその反応装置に適用しても良い。例えば、消臭、ダイオキシン分解、花粉分解等に使用される空気洗浄機器やプラズマエッチング、薄膜装置等に搭載される誘電性構造体および反応装置等に適用することができる。また、沿面放電により貫通孔３を通過する流体を反応または分解させるための誘電性構造体およびその反応装置に適用することが可能である。

本発明の第１の実施の形態による誘電性構造体の正面図である。 図２は、図１におけるＡ−Ａ’線における断面図である。 図３は、誘電性構造体の動作を説明するための図である。 図４は、複数の導電体で構成された誘電性構造体における断面図である。 図５は、第２導電体上の貫通孔３に対応する位置以外に開口を構成した誘電性構造体における断面図である。 本発明の第２の実施の形態による誘電性構造体の断面図および電気的な接続を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る反応装置１００の構造的な構成を示す概念図である。 図７の反応装置の電気系の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１・・・・・・・誘電性構造体
２・・・・・・・基体
３・・・・・・・基体の貫通孔
４・・・・・・・第１導電体
５・・・・・・・第１導電体の貫通孔
６・・・・・・・第２導電体
７・・・・・・・第２導電体の貫通孔
８、９・・外部端子

Claims (7)

1. 第１表面と第２表面との間に少なくとも１つの貫通孔を有する誘電体と、
   前記誘電体における前記第１表面と前記第２表面との間に設けられ、少なくとも一部が前記貫通孔の内周面に沿って位置する第１導電体と、
   前記第２表面上に設けられ、外縁が該第２表面上に位置するとともに少なくとも一部が前記貫通孔の開口に沿って位置する第２導電体と
   を有しており、
   前記第１導電体と前記第２導電体は対向し、前記貫通孔に対応する位置に貫通孔をそれぞれ有した平板状の導体であり、
   前記貫通孔の貫通方向に平面透視したときに、前記第２導電体の外縁は、前記第１導電体の外縁の内側に位置しており、
   前記第１導電体が有する前記貫通孔の孔径は、前記第２導電体が有する前記貫通孔の孔径より大きい誘電性構造体。
2. 第１表面と第２表面との間に少なくとも１つの貫通孔を有する複数の誘電体と、
   前記各誘電体における前記第１表面と前記第２表面との間にそれぞれ設けられ、少なくとも一部が前記貫通孔の内周面に沿って位置している第１導電体と、
   前記各誘電体における前記第２表面上にそれぞれ設けられ、外縁が前記第２表面上に位置するとともに少なくとも一部が前記貫通孔の開口に沿って位置する第２導電体と
   を有し、
   複数の前記誘電体は、前記第１導電体と前記第２導電体が交互に位置するとともに、前記各誘電体に設けられた前記貫通孔が連通するように配列されており、
   前記第１導電体と前記第２導電体は対向し、前記貫通孔に対応する位置に貫通孔をそれぞれ有した平板状の導体であり、
   前記貫通孔の貫通方向に平面透視したときに、前記第２導電体の外縁は、前記第１導電体の外縁の内側に位置しており、
   前記第１導電体が有する前記貫通孔の孔径は、前記第２導電体が有する前記貫通孔の孔径より大きい誘電性構造体。
3. 前記第２導電体は、前記貫通孔に対応する位置以外にも貫通孔を有する請求項１または請求項２に記載の誘電性構造体。
4. 第１表面と第２表面との間に少なくとも１つの貫通孔を有する誘電体と、前記第１表面と前記第２表面との間に設けられた第１導電体と、前記第２表面上に設けられ、外縁が該
   第２表面上に位置する第２導電体とを有しており、
   前記第１導電体と前記第２導電体は対向し、前記貫通孔に対応する位置に貫通孔をそれぞれ有した平板状の導体であり、
   前記貫通孔の貫通方向に平面透視したときに、前記第２導電体の外縁は、前記第１導電体の外縁の内側に位置しており、
   前記第１導電体が有する前記貫通孔の孔径は、前記第２導電体が有する前記貫通孔の孔径より大きく、
   前記第１導電体と前記第２導電体との間に交流電圧またはパルス電圧を印加することにより、前記貫通孔の内部および前記第２導電体の外縁にプラズマを発生可能な誘電性構造体。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の誘電性構造体と、前記第１導電体と前記第２導電体との間に交流電圧またはパルス電圧を印加するための第１電源と、前記第１導電体と前記第２導電体との間に直流電圧を印加するための第２電源とを備えた放電装置。
6. 請求項５に記載の放電装置と、前記貫通孔における前記第２導電体側から前記第１導電体側に流体を流す流体供給部を備えた流体改質装置。
7. 請求項５に記載の放電装置と、前記貫通孔における前記第１導電体側から前記第２導電体側に流体を流す流体供給部と、前記誘電性構造体に関して前記流体供給部と反対側に設けられた電極と、前記電極と前記第１導電体との間に直流電位を供給する第３電源とを備えた反応システム。

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