JP5194026B2

JP5194026B2 - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP5194026B2
Application number: JP2009542451A
Authority: JP
Inventors: 良平板谷
Original assignee: 株式会社アドテックプラズマテクノロジー
Priority date: 2007-11-22
Filing date: 2007-11-22
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2027-11-22
Also published as: JPWO2009066395A1; WO2009066395A1

Description

本発明は、放電電極間に発生させた放電によるプラズマを用いて被処理ガスを分解処理するプラズマ処理装置に関するものである。

従来技術において、放電電極間に直流放電プラズマを発生させ、それを用いて被処理ガス（処理すべきガス、または処理すべき固体または液体成分を含んだガスをいう。以下同様）を分解し、無害化する等の処理を行うように構成されたプラズマ処理装置が知られている。

この種の装置として、例えば、本願発明者が提案したものがある（特許文献１参照）。この装置は、下方向にのびる反応管路と、反応管路の軸方向に、反応管路の内部空間が介在するように間隔をあけて配置された一対の放電電極と、一対の放電電極に電圧を印加する電源と、反応管路の上部から水を供給し、反応管路の内壁面に沿って流した後、反応管路の下端開口から排出させる給水手段と、被処理ガスを反応管路内に流入させ、反応管路内を通過させる被処理ガス供給手段と、反応管路の上部から反応管路内に電解液を供給する電解液供給手段と、電源および電解液供給手段を制御し、電解液供給手段から電解液を供給して放電電極間に電流路を形成した後、電解液供給手段からの電解液の供給を停止して電流路を遮断することによって放電を誘発させる制御手段を備えている。

このプラズマ処理装置によれば、容易に放電を誘発することができ、それによって、反応管路の軸方向にのびるプラズマを生成し、反応管路中の長い距離にわたって管路の断面全体をプラズマ化することにより、被処理ガスを効率良く分解処理することができるという効果が得られる。

この場合、被処理ガスの分解効率をより高めるためには、被処理ガスをプラズマによって高温にして分解を促進すると同時に、分解によって生じた水溶性の成分を、反応管路の内壁面に形成された流水層中に素早く溶解させることが必要である。

しかし、上記の構成によれば、放電によって形成されるプラズマは、ガス流中に位置するので、その太さが軸方向に変化し、その結果、プラズマが流水層から遠く離れる領域が生じてしまうことがあった。これを考慮して、反応管路の直径を小さくすると、プラズマおよび流水層間の距離は縮まるが、その一方で、被処理ガスを流すための管路抵抗が増大してしまうという問題を生じていた。
また、分解処理時の消費電力を低減する必要もあった。

特開２００４−２０９３７３号公報

したがって、本発明の課題は、プラズマ処理装置の被処理ガスの分解処理効率を高めるとともに、分解処理時の消費電力を低減することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、上端開口が閉じられた円筒状のハウジングと、前記ハウジングの下端開口にＯリングを介してシールされた状態で嵌め込み固定された円柱状のブロックとからなる本体を備え、前記ブロックには中心軸に沿って貫通孔が形成されており、さらに、前記貫通孔に嵌め込み固定され、前記ブロックから上方に向かって前記ハウジングの内部空間にのび、内部に反応管路が形成されたパイプを備え、前記反応管路の上端開口から下方に前記反応管路の全長の１／４〜１／３の長さ離れた位置に隘路部およびその下側に続く拡張部が設けられており、さらに、前記ハウジングの上壁の中央に取り付けられて、前記上壁から下向きに前記反応管路の中心軸に沿ってのび、尖った先端が前記反応管路の上端開口に対向する棒状の高圧電極と、前記高圧電極から前記反応管路の軸方向に間隔をあけて、かつ前記反応管路の内部空間が介在するように配置された接地電極と、前記高圧電極および前記接地電極間に電圧を印加する電源と、前記ハウジングの周壁における前記パイプの上端よりも低い位置にシールされた状態で接合された給水管と、を備え、前記給水管からの給水により、前記パイプおよび前記ハウジング間に水溜が形成されるとともに、前記反応管路の上端開口をオーバーフローした水が前記反応管路の内壁面に沿って流れるようになっており、さらに、前記ハウジングの周壁における前記パイプの上端よりも高い位置にシールされた状態で接合された被処理ガス供給管と、前記ハウジングの上壁にシールされた状態で取り付けられた電解液を供給するノズルと、を備え、前記ノズルは、前記ハウジングの上壁から前記ハウジング内にのび、先端が上側の前記放電電極の先端、並びに前記反応管路の上端開口に向けられていることにより、前記ノズルによる電解液の供給および停止によって前記反応管路内にプラズマが発生せしめられ、前記反応管路内を流れる被処理ガスが前記プラズマによって分解され、流水中に溶解されるものであることを特徴とするプラズマ処理装置を構成したものである。

上記構成において、好ましくは、前記反応管路における前記隘路部および前記拡張部が、前記反応管路の壁と一体に形成されており、あるいは、前記隘路部および前記拡張部が、前記反応管路の壁とは別個の部材として形成され、前記反応管路に取り付けられている。

また好ましくは、前記接地電極は、前記反応管路の内壁面における前記拡張部の下方に取り付けられ、湾曲した板状に形成されて、前記反応管路の内壁面に沿って配置されており、あるいは、前記接地電極は、前記反応管路の下方に配置され、平板状に形成されて、その一方の面が前記反応管路の下端開口に近接しかつ対向するように配置されている。

本発明によれば、反応管路の隘路部において、放電電流の密度が上昇すると同時に、プラズマの高温部分と流水層が近接する。その結果、プラズマと水との接触によって発生する水蒸気が、プラズマ中に効率よく取り込まれ、それによって、被処理ガスの分解反応が促進され、分解反応によって生じた水溶性の反応生成物が効率的に流水層中に溶解される。さらに、隘路部の下側に続く拡張部を設けたことにより、管路抵抗の上昇が防止され、圧力損失が低減される。こうして、本発明によれば、反応管路に隘路部およびその下側に続く拡張部を設けたことにより、被処理ガスの分解処理効率が高められ、処理時の消費電力が低減される。

本発明の１実施例によるプラズマ処理装置の概略構成を示す縦断面図である。本発明の別の実施例によるプラズマ処理装置の概略構成を示す縦断面図である。本発明のさらに別の実施例によるプラズマ処理装置の概略構成を示す縦断面図である。本発明のさらに別の実施例によるプラズマ処理装置の概略構成を示す縦断面図である。本発明のさらに別の実施例によるプラズマ処理装置の概略構成を示す縦断面図である。

符号の説明

１ａハウジング
１ｂブロック
２貫通孔
３パイプ
４反応管路
５、６放電電極
７被処理ガス供給口
８被処理ガス供給管
９給水管
１０冷却水通路
１１電解液供給部
１１ａノズル
１２マッチング回路
１３電源
１４制御部
１５隘路部
１６拡張部
１７流水層
１８水溜
１９Ｏリング
２０水槽
Ｇ被処理ガス
Ｗ水

以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例について説明する。図１は、本発明の１実施例によるプラズマ処理装置の主要部の構成を示す縦断面図である。図１を参照して、本発明によるプラズマ処理装置は、上端開口が閉じられた円筒状のハウジング１ａと、ハウジング１ａの下端開口にＯリング１９を介してシールされた状態で嵌め込み固定された円柱状のブロック１ｂとからなる本体を有している。
ブロック１ｂには、その中心軸に沿って、ハウジング１ａの内部空間と本体外部とを連通する貫通孔２が形成される。そして、この貫通孔２には、パイプ３が嵌め込み固定され、ブロック１ｂから上方に向かってハウジング１ａの内部空間にのびている。そして、パイプ３によって反応管路４が構成される。また、ブロック１ｂの下端部には、貫通孔１２から半径方向にブロック１ｂ内部にのび外部に開口する冷却水通路１０が設けられる。

反応管路４には、上端開口から一定の長さにわたって隘路部１５とその下側に続く拡張部１６が設けられる。隘路部１５は全長にわたって内径が一定となるように形成され、拡張部１６は、隘路部１５との接続位置から下方に向かって一定の割合で内径が大きくなるように形成される。
また、隘路部１５および拡張部１６は、反応管路４の壁と一体に形成される。

本発明によるプラズマ処理装置は、また、一対の放電電極５、６を備えている。一対の放電電極５、６は、反応管路４の上方に配置された高圧電極６と、反応管路４の内壁面における拡張部１６の下方に取り付けられた接地電極５とからなる。

高圧電極６は、尖った先端をもつ棒状に形成され、この場合、先端部が耐アーク性の材料から形成される。耐アーク性の材料としては、例えば白金が挙げられる。また、高圧電極６の先端部を除く残りの棒状部分は、金属パイプや金属棒、またカーボン棒、Ｔｉ−Ｐｄ合金棒等の、放電電極としての機能を発揮しうる任意の材料から形成される。
高圧電極６は、ハウジング１ａの上壁の中央に取り付けられ、該上壁から下向きに反応管路４の中心軸に沿ってハウジング１ａの内部空間にのび、先端が反応管路４の上端開口に対向するように配置される。この場合、高圧電極６の配置はこれに限定されず、高圧電極６の先端が反応管路４の上端開口の近傍において反応管路４内に向けられるような任意の配置をとることができ、例えば、高圧電極６の先端が反応管路４内に挿入されるような配置でもよい。

接地電極５は、湾曲した板状に形成されるとともに、反応管路４の内壁面に沿って配置され、接地される。接地電極５は、例えば、真鍮や銅等の導電性の高い金属から形成されるのが好ましいが、プラズマを発生させるという機能を発揮し得る限り、これらの材料に限定されるものではない。

高圧電極６には、電源１３がマッチング回路１２を介して接続されている。電源１３は交流高周波電源からなっている。なお、電源１３が直流高圧電源からなっている場合には、マッチング回路１２は不要である。

ハウジング１ａの下部周壁には、給水口が設けられ、この給水口には給水管９がシールされた状態で接合される。そして、給水管９からハウジング１ａの内側空間内に水Ｗが供給される。ハウジング１ａ内に供給された水Ｗは、ハウジング１ａの内壁面と、反応管路４の外壁面との間の空間内に貯えられ、反応管路４の外側を取り囲む水溜１８を形成する。そして、この水溜１８の容量を超えて供給された水は、反応管路４（この実施例では隘路部１５）の上端開口の縁からオーバーフローし、反応管路４の内壁面に沿って流れ、ブロック１ｂの下端開口から外部に排出される。

ハウジング１ａの上部周壁には開口が形成されるとともに、この開口に短管がシールされた状態で接合され、被処理ガス供給口７が設けられる。被処理ガス供給口７には、被処理ガスＧをハウジング１ａ内に供給する被処理ガス供給管８が接続される。被処理ガス供給管８から供給された被処理ガスＧは、ハウジング１ａ内の水溜１８の上方の空間に充満した後、反応管路４（この実施例では隘路部１５）の上端開口から反応管路４内に流入し、反応管路４を通過する。

ハウジング１ａの上壁には、電解液を供給するノズル１１ａがシールされた状態で取り付けられる。ノズル１１ａは、ハウジング１ａの上壁からハウジング１ａ内にのび、先端が、放電電極の高圧電極６の先端、並びに反応管路４（隘路部１５）の上端開口に向けられるように配置される。ノズル１１ａのハウジング１ａから外部に突出する後端には、電解液供給部１１が接続される。そして、電解液供給部１１からノズル１１ａを介して、電解液が反応管路４内に供給される。電解液としては、例えば、ＮａＣｌ、ＮａＯＨ、Ｈ_２ＳＯ_４またはＨＮＯ_３が使用され得る。

また、電源１３および電解液供給部２２を制御する制御部１４が備えられる。

次に、本発明によるプラズマ処理装置の動作について説明する。
制御部１４からの制御信号により、電解液が電解液供給部１１からノズル１１ａに供給され、ノズル１１ａから電解液が吐出される。ノズル２１から吐出された電解液は、反応管路４内に直接に、または高圧電極６をつたって反応管路４内に供給され、反応管路４の内壁面に沿って流れて接地電極５を通過する。

電解液の反応管路４内への供給開始後、所定時間が経過したとき、制御部１４からの制御信号により、高圧電極６に対し電源１３から高圧電圧が印加される。このとき、反応管路４の内壁面を流れる電解液によって、高圧電極６と接地電極５との間に電流を流す経路（電流路）が形成されているので、高圧電極６と接地電極５の間に電流が流れ始める。その後、制御部１４からの制御信号によって電解液供給部１１からの電解液の供給が停止され、よって、反応管路４内への電解液の供給が停止される。その結果、反応管路４内に形成されていた電流路が遮断され、反応管路４内に放電が誘発され、それによって反応管路４内にプラズマが形成される。この場合、反応管路４の隘路部１５において、放電電流の密度が上昇する。

給水管９から水溜１８に供給される水Ｗは、反応管路４（隘路部１５）の上端開口の縁からオーバーフローして、反応管路４内に流入し、反応管路４の内壁面に沿って、隘路部１５および拡張部１６を通過した後、反応管路４の下端開口から外部に排出される。こうして、隘路部１５および拡張部１６を含む反応管路４の内壁面の全体にわたって、切れ目のない流水層１７が形成される。
被処理ガスＧは、被処理ガス供給管８から被処理ガス供給口７を経て、ハウジング１ａ内に供給される。ハウジング１ａ内に供給された被処理ガスＧは、反応管路４内に流入し、反応管路４内を通過するときにプラズマと接触して高温に加熱され、各ガス構成成分に分解される。

この場合、反応管路４の隘路部１５において、プラズマの高温部分と流水層１７とが近接する。その結果、プラズマと水Ｗの接触によって発生する水蒸気が、プラズマ中に効率よく取り込まれ、被処理ガスＧの分解反応が促進され、分解反応によって生じた水溶性の反応生成物が効率的に流水中に溶解される。さらに、隘路部１５の下側に拡張部１６が設けられているので、管路抵抗の上昇することが防止され、圧力損失が低減される。また、反応管路４の内壁面は常に流水層１７によって覆われているので、反応管路４の内壁面の侵食が防止される。
こうして、本発明によれば、隘路部１５およびその下側に続く拡張部１６を設けたことによって、被処理ガスＧ中の有害物質の分解処理効率が高められ、さらには、処理時の消費電力が低減される。そして、化学的に安定なＣＦ_４を含むＰＦＣなどのフッ素化合物であっても、効果的に分解することができる。また、処理対象が固体や液体であっても、それらを媒体となる適当なガス中に混合し、被処理ガス供給口７からハウジング１ａ内に供給して反応管路４内に流入させることによって、分解処理することができる。

分解によって生じた水溶性の反応生成物は、反応管路４内に形成された流水層１７中に溶け、流水とともに反応管路４から外部に排出される。この場合、冷却水通路１０からブロック１ｂの貫通孔２内に水Ｗを供給することにより、反応管路４から排出される水溶性の反応生成物をさらに効率的に水Ｗに溶かして除去することができ、しかも、装置の排気側が熱によって損傷することを防止できる。

上述の実施例では、隘路部１５および拡張部１６を反応管路４の壁と一体に形成したが、図２に示すように、隘路部１５’および拡張部１６’を、反応管路４の壁とは別個の部材として形成し、反応管路４に取り付けるようにしてもよい。この場合、隘路部１５’および拡張部１６’は、必ずしも反応管路４の壁と同じ材質であることは必要なく、流水に曝されることを考慮して、適当な耐熱性、耐久性を有してさえいれば良い。

図３は、本発明の別の実施例によるプラズマ処理装置の概略構成を示す縦断面図である。図３の実施例は、図１の実施例と、反応管路内の隘路部および拡張部の構成が異なるだけである。したがって、図３において、図１に示されたものと同じ構成要素については同一番号を付して詳細な説明を省略する。
図３を参照して、この実施例では、隘路部１５”および拡張部１６”が、反応管路４における処理ガスＧの流入部（反応管路４の上端開口）から下方に、反応管路４の全長の１／４〜１／３の長さ離れた位置に設けられる。この実施例では、隘路部１５”は、反応管路４との接続位置から下側に向かって一定の割合で内径が小さくなる第１の部分と、第１の部分の下側に接続する内径が一定の第２の部分とから形成され、拡張部１６”は、隘路部１５”との接続位置から下方に向かって一定の割合で内径が大きくなるように形成される。この構成によれば、生成されるプラズマの温度が最も高温になる位置において、プラズマと流水層１７とが近接するので、被処理ガスの分解がより促進されると同時に、流水層１７からの蒸発もより促進され、それによって、被処理ガスの分解処理がより効率的になされ、処理時の消費電力もより低減される。

図４は、本発明のさらに別の実施例によるプラズマ処理装置の概略構成を示す縦断面図である。図４の実施例は、実質上、図１の実施例と、放電電極の接地電極の構成が異なるだけである。したがって、図４において、図１に示されたものと同じ構成要素については同一番号を付して詳細な説明を省略する。
図４を参照して、この実施例では、反応管路４が、ブロック１ｂの貫通孔２を通ってブロック１ｂからさらに下方にのび、反応管路４の下端部が、水槽２０内に貯えられた水の中に導入される。そして、放電電極の接地電極５’が水槽２０の水中であって、反応管路４の下端開口の近傍に配置される。接地電極５’は、平板状に形成され、一方の面が反応管路４の下端開口に対向している。
この構成によれば、被処理ガスＧは、反応管路４の下端開口から水中に排出されるので、水中を気泡となって放出される。この場合、プラズマを形成する放電電流は水槽２０の水中の接地電極５’まで流れる。このような電極の配置においても、反応管路４に隘路部１５および拡張部１６を設けたことによって、被処理ガスの分解処理の効率を上げ、処理時の消費電力を低減させることができることは上記実施例の場合と同様である。

図５は、本発明のさらに別の実施例によるプラズマ処理装置の概略構成を示す縦断面図である。図５の実施例は、図１の実施例と、放電電極の接地電極の構成が異なるだけである。したがって、図５において、図１に示されたものと同じ構成要素については同一番号を付して詳細な説明を省略する。
図５を参照して、この実施例では、放電電極の接地電極５”が細長い棒状に形成され、反応管路４の下端開口側から反応管路４の中心軸に沿って挿入され、適当な支持手段を用いて、所定位置に固定されている。このような放電電極の配置においても、反応管路４に隘路部１５および拡張部１６を設けたことによって、上記実施例の場合と同様に、被処理ガスの分解処理の効率を上げ、処理時の消費電力の低減を図ることができる。

具体例として、被処理ガスとしてＣＦ_４を分解するプラズマ処理装置を構成した。この装置の各部の寸法は次のとおりである。反応管路４の内径を１２ｍｍ〜３０ｍｍ、長さを１５０ｍｍ〜４００ｍｍとした。隘路部１５の内径を８ｍｍ〜１６ｍｍとした。また、放電電極５、６間の距離を、２００ｍｍ以上、好ましくは２５０ｍｍ以上とした。
このプラズマ処理装置を作動させることにより、ＣＦ_４の分解を効率的に行うことができた。

Claims

上端開口が閉じられた円筒状のハウジングと、前記ハウジングの下端開口にＯリングを介してシールされた状態で嵌め込み固定された円柱状のブロックとからなる本体を備え、前記ブロックには中心軸に沿って貫通孔が形成されており、さらに、
前記貫通孔に嵌め込み固定され、前記ブロックから上方に向かって前記ハウジングの内部空間にのび、内部に反応管路が形成されたパイプを備え、前記反応管路の上端開口から下方に前記反応管路の全長の１／４〜１／３の長さ離れた位置に隘路部およびその下側に続く拡張部が設けられており、さらに、
前記ハウジングの上壁の中央に取り付けられて、前記上壁から下向きに前記反応管路の中心軸に沿ってのび、尖った先端が前記反応管路の上端開口に対向する棒状の高圧電極と、
前記高圧電極から前記反応管路の軸方向に間隔をあけて、かつ前記反応管路の内部空間が介在するように配置された接地電極と、
前記高圧電極および前記接地電極間に電圧を印加する電源と、
前記ハウジングの周壁における前記パイプの上端よりも低い位置にシールされた状態で接合された給水管と、を備え、前記給水管からの給水により、前記パイプおよび前記ハウジング間に水溜が形成されるとともに、前記反応管路の上端開口をオーバーフローした水が前記反応管路の内壁面に沿って流れるようになっており、さらに、
前記ハウジングの周壁における前記パイプの上端よりも高い位置にシールされた状態で接合された被処理ガス供給管と、
前記ハウジングの上壁にシールされた状態で取り付けられた電解液を供給するノズルと、を備え、前記ノズルは、前記ハウジングの上壁から前記ハウジング内にのび、先端が上側の前記放電電極の先端、並びに前記反応管路の上端開口に向けられていることにより、前記ノズルによる電解液の供給および停止によって前記反応管路内にプラズマが発生せしめられ、前記反応管路内を流れる被処理ガスが前記プラズマによって分解され、流水中に溶解されるものであることを特徴とするプラズマ処理装置。
前記反応管路における前記隘路部および前記拡張部が、前記反応管路の壁と一体に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
前記反応管路における前記隘路部および前記拡張部が、前記反応管路の壁とは別個の部材として形成され、前記反応管路に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
前記接地電極は、前記反応管路の内壁面における前記拡張部の下方に取り付けられ、湾曲した板状に形成されて、前記反応管路の内壁面に沿って配置されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
前記接地電極は、前記反応管路の下方に配置され、平板状に形成されて、その一方の面が前記反応管路の下端開口に近接しかつ対向するように配置されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のプラズマ処理装置。