JP5261631B2 - 点火またはプラズマ発生装置 - Google Patents
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Description
熱機関またはプラズマ装置において燃焼反応、化学反応、または、プラズマ反応が行われる反応領域に対し、放電と電磁波のエネルギとを併用して前記燃焼反応、化学反応、または、プラズマ反応を始動させる点火またはプラズマ発生装置であって、放電のためのエネルギと電磁波発生装置からの電磁波のエネルギとを混合する混合手段と、前記混合手段からの出力が供給され、この出力を前記反応領域に導入するプラグとを備え、前記混合手段から前記プラグに供給される出力は、前記電磁波のエネルギと前記放電のためのエネルギとが同じ伝送線路に重畳されて供給されることを特徴とするものである。
構成1を有する点火またはプラズマ発生装置において、前記放電のためのエネルギは、パルス電圧であって、前記混合手段は、前記パルス電圧の入力を受ける第1の入力部と、前記電磁波のエネルギの入力を受ける第2の入力部と、前記第1の入力部に接続された出力部とを備え、前記第2の入力部は、電界結合により前記出力部と電気的に結合されていることを特徴とするものである。
構成1を有する点火またはプラズマ発生装置において、前記放電のためのエネルギは、パルス電圧であって、前記混合手段は、前記パルス電圧の入力を受ける第1の入力部と、前記電磁波のエネルギの入力を受ける第2の入力部と、前記第1の入力部に接続された出力部とを備え、前記第2の入力部は、磁界結合により前記出力部と電気的に結合されていることを特徴とするものである。
構成1を有する点火またはプラズマ発生装置において、前記放電のためのエネルギは、パルス電圧であって、前記混合手段は、前記パルス電圧の入力を受ける第1の入力部と、前記電磁波のエネルギの入力を受ける第2の入力部と、前記第1の入力部に接続された出力部とを備え、前記第2の入力部は、直列に接続された磁界結合と電界結合とを介して前記出力部と電気的に結合されていることを特徴とするものである。
構成1乃至構成4のいずれか一を有する点火またはプラズマ発生装置において、前記放電のためのエネルギは、パルス電圧であって、混合手段は、パルス電圧の入力部が、自己インダクタンスを有する誘導素子を通して出力部と電気的に接続されていることを特徴とするものである。
構成2、または、構成4を有する点火またはプラズマ発生装置において、混合手段は、誘電体基板を有して構成され、第2の入力部は、誘電体基板の一方の面に構成され、第1の入力部及び出力部は、誘電体基板の他方の面に構成され、電界結合は、誘電体基板の両面に対向配置された導電パターンからなるコンデンサの容量によりなされることを特徴とするものである。
構成6を有する点火またはプラズマ発生装置において、コンデンサを形成する導電パターンの幅は、第2の入力部が受ける電磁波の波長の1/4以下であることを特徴とするものである。
構成6を有する点火またはプラズマ発生装置において、コンデンサを形成する導電パターンは、矩形であることを特徴とするものである。
構成6を有する点火またはプラズマ発生装置において、コンデンサを形成する導電パターンは、概ね円形であることを特徴とするものである。
構成2乃至構成9のいずれか一を有する点火またはプラズマ発生装置において、第2の入力部は、電磁波の伝送線路の特性インピーダンスと整合を取るスタブを有することを特徴とするものである。
構成2乃至構成10のいずれか一を有する点火またはプラズマ発生装置において、前記パルス電圧は、点火コイルを介して入力され、混合手段を金属導体ケースで密閉するとともに、この金属導体ケースと点火コイルとをモールド樹脂にて一体化したことを特徴とするものである。
構成1乃至構成11のいずれか一を有する点火またはプラズマ発生装置において、前記プラグは、スパークプラグであり、前記スパークプラグは、導電体からなる主体金具と、主体金具を貫通する筒状の碍子と、前記碍子内に収容され、一端が碍子の一方の端部より露出する第1の中心導体と、前記碍子内に前記第1の中心導体から離間して収容され一端が前記碍子の他方の端部より露出する第2の中心導体と、前記第1の中心導体及び前記第2の中心導体に挟まれた空間に前記碍子の内壁に沿って設けられた抵抗層と、前記第1の中心導体及び前記第2の中心導体に挟まれた空間に形成された誘電層とを備え、前記第1の中心導体、前記第2の中心導体及び誘電層によりコンデンサが形成され、前記抵抗層は、このコンデンサに対し並列に、前記第1の中心導体及び前記第2の中心導体を電気的に接続していることを特徴とするものである。
構成1乃至構成11のいずれか一を有する点火またはプラズマ発生装置において、前記プラグは、スパークプラグであり、前記スパークプラグは、導電体からなる主体金具と、主体金具を貫通する筒状の碍子と、前記碍子内に収容され両端が碍子より露出する導電体からなる中心導電部とを備え、前記主体金具、碍子及び中心導体部により形成される同軸線路の特性インピーダンスは、前記混合手段から前記反応領域に向かう方向のインピーダンスが前記反応領域に近づくに従って低くなるように選ばれていることを特徴とするものである。
構成1を有する点火またはプラズマ発生装置において、前記プラグは、導電体からなり一端が前記混合手段の中心線路に接続された中心導体と、導電体からなり前記中心導体の他端において接続されたアンテナ兼中心電極部と、導電体からなり一端が前記混合回路の接地線路に接続され前記中心導体及び前記アンテナ兼中心電極部を囲うように前記中心導体及び前記アンテナ兼中心電極部から離間配置され前記アンテナ兼中心電極部付近に孔が設けられた外側導体と、前記中心導体及び外側導体の間隙の前記中心導体及び前記アンテナ兼中心電極部の接点より前記混合手段側に充填された誘電体部材とを備え、前記外側導体と前記中心電極部及び前記アンテナ兼中心電極部との絶縁距離は、前記孔の付近で最短となり、かつ、前記アンテナ兼中心電極部、外側導体、及び前記誘電体部材により規定された空間の容積は、該空間にプラズマが発生した際の該空間の圧力上昇により、該空間と前記孔を介して該空間に連通する空間との間に所定値以上の圧力差が生じるよう選ばれていることを特徴とするものである。
構成14を有する点火またはプラズマ発生装置であって、前記アンテナ兼中心電極部、外側導体及び前記誘電体部材により規定された空間へのガスの導入路を有することを特徴とするものである。
構成1を有する点火またはプラズマ発生装置であって、前記プラグは、接地電極が短縮され、または、取り除かれたスパークプラグと、概ね両端開口筒状の一方の開口が窄められた形状をなす導電体からなり他方の開口付近の内面が前記スパークプラグの主体金具に羅合するキャップとを備え、前記キャップと前記スパークプラグの中心電極との絶縁距離は窄められた開口の付近で最短となり、かつ、前記スパークプラグ及びキャップにより規定された空間の容積は、該空間にプラズマが発生した際の該空間の圧力上昇により該空間と前記孔を介して連通する空間との間に所定値以上の圧力差が生じるよう選ばれていることを特徴とするものである。
構成14を有する点火またはプラズマ発生装置において、前記スパークプラグ及びキャップにより規定された空間へのガスの導入路を有していることを特徴とするものである。
構成1乃至構成11のいずれか一を有する点火またはプラズマ発生装置において、前記プラグは、このプラグが設置される空間の周囲に存在する接地された導電体との間で放電を行うことを特徴とするものである。
試料をプラズマに曝露させてこの試料を励起させ、その結果を検出する分析装置であって、前記試料に曝露させるプラズマを請求項14乃至請求項17のいずれか一に記載の点火またはプラズマ装置を用いて発生させることを特徴とするものである。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図3は、第1の実施形態に係る点火またはプラズマ発生装置の混合回路13に代えて用いることのできる第2の実施形態に係る混合回路30の回路構成を示す。
図4は、第1の実施形態に係る点火またはプラズマ発生装置の混合回路13に代えて用いることのできる第3の実施形態に係る混合回路40の回路構成を示す。
図5は、第1の実施形態に係る点火またはプラズマ発生装置の混合回路13に代えて用いることのできる第4の実施形態に係る混合回路50の回路構成を示す。
図6は、第5の実施形態に係る点火装置の回路基板60の側面からの概観図を示す。
図7は、第4の実施形態に係る混合回路50を実装した回路基板70の一方の面を、図8は、回路基板70の他方の面をそれぞれ示す。
Z=jZ0tanβL(ただし、βは、位相常数、Lは、入力端から短絡点までの長さ)
C=εS/d
図9は、第2の実施形態に係る混合回路30を実装した回路基板80の一方の面を、図10は、回路基板80の他方の面をそれぞれ示す。
図11は、点火コイルと回路基板60とを一体化した第8の実施形態に係る点火装置のモジュール90の構成を示す。
上述した各実施形態においては、点火またはプラズマ装置のプラグとして、一般的なスパークプラグを用いた。しかし、プラグは、電磁波の伝送により適した構造のものであってもよい。以下、そのような実施形態に係るプラグを例示する。
図15は、第1〜第8の実施形態に係る点火またはプラズマ発生装置のプラグとして好適な別のプラグ130の断面図である。このプラグ130は、一般的なスパークプラグと同様に、導電体からなる主体金具131と、主体金具131を貫通する筒状の碍子132とを備える。碍子132には、概ね棒状の中心導体133が収容される。中心導体133の両端は碍子132から露出しており、一方の端部は、混合回路との接続部を形成しており、他方の端部は放電電極とアンテナとを兼ねる。主体金具131の放電電極兼アンテナ側には、突出部134が設けられており、この突出部134が接地電極となる。
上述の各実施形態においては、プラグの先端は一般的なスパークプラグと同様の形状であった。さらに、プラズマを所定の方向に噴き出すようにすれば、各実施形態に係る点火またはプラズマ装置をプラズマ源として利用する際の利便性が増す。
図19は、プラズマを所定の方向に噴き出す構造を備えた別のプラグの先端部を模式的に示す図である。この図19に示すプラグ150は、一般的なスパークプラグ、第9の実施形態に係るプラグ、または第10の実施形態に係るプラグと同様の内部構造を備え接地電極が取り除かれたプラグ本体151と、プラグ本体151の先端側を囲うようにプラグ151の栓体部分に螺合される導電体製のキャップ152とを備える。
第11または第12の実施形態に係る点火またはプラズマ発生装置により、小型かつ簡素な構造のプラグを用いてプラズマを噴き出すことが可能になる。このプラズマは、内燃機関等の点火に用いてもよいし、成分分析用のプラズマ源として用いてもよい。本実施形態では、プラズマ源としての適用の一例として、プラズマを用いた分析装置を示す。
上述の実施形態では、容量結合のためのコンデンサの極板形状として、矩形及び円形を例示したが、本発明はこのような実施形態には限定されない。良好な電界結合が得られるならば、その形状を問わない。
25,32,41,52,62 高電圧パルスの入力端子
35,46,58,63 混合出力端子
22,44,54,55 コンデンサ
23,24,34,45,65 コイル
26,93 混合出力ケーブル
27 点火プラグ
33,43 高周波トランス
36 浮遊容量
64A,64B,71 コンデンサを形成する導電パターン
66 基板
72 短絡素子
73 インピーダンス調整用スタブ
81 高周波トランス一次側コイル用導電パターン
82 高周波トランス二次側コイル用導電パターン
91 端子
92 マイクロ波の入力
94 点火コイル
95 ハウジング
96 金属ケース
97 混合回路部の基板
Claims (17)
- 熱機関またはプラズマ装置において燃焼反応、化学反応、または、プラズマ反応が行われる反応領域に対し、放電と電磁波のエネルギとを併用して前記燃焼反応、化学反応、または、プラズマ反応を始動させる点火またはプラズマ発生装置であって、
放電のためのエネルギと電磁波発生装置からの電磁波のエネルギとを混合する混合手段と、
前記混合手段からの出力が供給され、この出力を前記反応領域に導入するプラグとを備え、
前記混合手段から前記プラグに供給される出力は、前記電磁波のエネルギと前記放電のためのエネルギとが同じ伝送線路に重畳されて供給され、
前記プラグは、スパークプラグであり、導電体からなる主体金具と、主体金具を貫通する筒状の碍子と、前記碍子内に収容され、一端が碍子の一方の端部より露出する第1の中心導体と、前記碍子内に前記第1の中心導体から離間して収容され一端が前記碍子の他方の端部より露出する第2の中心導体と、前記第1の中心導体及び前記第2の中心導体に挟まれた空間に前記碍子の内壁に沿って設けられた抵抗層と、前記第1の中心導体及び前記第2の中心導体に挟まれた空間に形成された誘電層とを備え、
前記第1の中心導体、前記第2の中心導体及び誘電層によりコンデンサが形成され、前記抵抗層は、このコンデンサに対し並列に、前記第1の中心導体及び前記第2の中心導体を電気的に接続している
ことを特徴とする点火またはプラズマ発生装置。 - 熱機関またはプラズマ装置において燃焼反応、化学反応、または、プラズマ反応が行われる反応領域に対し、放電と電磁波のエネルギとを併用して前記燃焼反応、化学反応、または、プラズマ反応を始動させる点火またはプラズマ発生装置であって、
放電のためのエネルギと電磁波発生装置からの電磁波のエネルギとを混合する混合手段と、
前記混合手段からの出力が供給され、この出力を前記反応領域に導入するプラグとを備え、
前記混合手段から前記プラグに供給される出力は、前記電磁波のエネルギと前記放電のためのエネルギとが同じ伝送線路に重畳されて供給され、
前記プラグは、スパークプラグであり、導電体からなる主体金具と、主体金具を貫通する筒状の碍子と、前記碍子内に収容され、両端が碍子より露出する導電体からなる中心導電部とを備え、
前記主体金具、碍子及び中心導体部により形成される同軸線路の特性インピーダンスは、前記混合手段から前記反応領域に向かう方向のインピーダンスが前記反応領域に近づくに従って低くなるように選ばれている
ことを特徴とする点火またはプラズマ発生装置。 - 前記放電のためのエネルギは、パルス電圧であって、
前記混合手段は、前記パルス電圧の入力を受ける第1の入力部と、前記電磁波のエネルギの入力を受ける第2の入力部と、前記第1の入力部に接続された出力部とを備え、
前記第2の入力部は、電界結合により前記出力部と電気的に結合されている
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の点火またはプラズマ発生装置。 - 前記放電のためのエネルギは、パルス電圧であって、
前記混合手段は、前記パルス電圧の入力を受ける第1の入力部と、前記電磁波のエネルギの入力を受ける第2の入力部と、前記第1の入力部に接続された出力部とを備え、
前記第2の入力部は、磁界結合により前記出力部と電気的に結合されている
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の点火またはプラズマ発生装置。 - 前記放電のためのエネルギは、パルス電圧であって、
前記混合手段は、前記パルス電圧の入力を受ける第1の入力部と、前記電磁波のエネルギの入力を受ける第2の入力部と、前記第1の入力部に接続された出力部とを備え、
前記第2の入力部は、直列に接続された磁界結合と電界結合とを介して前記出力部と電気的に結合されている
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の点火またはプラズマ発生装置。 - 前記放電のためのエネルギは、パルス電圧であって、
前記混合手段は、前記パルス電圧の入力部が、自己インダクタンスを有する誘導素子を通して出力部と電気的に接続されている
ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の点火またはプラズマ発生装置。 - 前記混合手段は、誘電体基板を有して構成され、
前記第2の入力部は、前記誘電体基板の一方の面に構成され、
前記第1の入力部及び前記出力部は、前記誘電体基板の他方の面に構成され、
前記電界結合は、前記誘電体基板の両面に対向配置された導電パターンからなるコンデンサの容量によりなされる
ことを特徴とする請求項3又は請求項5に記載の点火またはプラズマ発生装置。 - 前記コンデンサを形成する導電パターンの幅は、前記第2の入力部が受ける電磁波の波長の1/4以下である
ことを特徴とする請求項7に記載の点火またはプラズマ発生装置。 - 前記コンデンサを形成する導電パターンは、矩形である
ことを特徴とする請求項7に記載の点火またはプラズマ発生装置。 - 前記コンデンサを形成する導電パターンは、概ね円形である
ことを特徴とする請求項7に記載の点火またはプラズマ発生装置。 - 前記第2の入力部は、前記電磁波発生装置からの伝送線路の特性インピーダンスと整合を取るスタブを有する
ことを特徴とする請求項3から請求項10のいずれか1項に記載の点火またはプラズマ発生装置。 - 前記パルス電圧は、点火コイルを介して入力され、
前記混合手段を金属導体ケースで密閉するとともに、この金属導体ケースと点火コイルとをモールド樹脂にて一体化した
ことを特徴とする請求項3から請求項11のいずれか1項に記載の点火またはプラズマ発生装置。 - 前記スパークプラグは、導電体からなり一端が前記混合手段の中心線路に接続された中心導体と、導電体からなり前記中心導体の他端において接続されたアンテナ兼中心電極部と、導電体からなり一端が前記混合回路の接地線路に接続され前記中心導体及び前記アンテナ兼中心電極部を囲うように前記中心導体及び前記アンテナ兼中心電極部から離間配置され前記アンテナ兼中心電極部付近に孔が設けられた外側導体と、前記中心導体及び外側導体の間隙の前記中心導体及び前記アンテナ兼中心電極部の接点より前記混合手段側に充填された誘電体部材とを備え、
前記外側導体と前記中心電極部及び前記アンテナ兼中心電極部との絶縁距離は、前記孔の付近で最短となり、かつ、前記アンテナ兼中心電極部、外側導体、及び前記誘電体部材により規定された空間の容積は、該空間にプラズマが発生した際の該空間の圧力上昇により、該空間と前記孔を介して該空間に連通する空間との間に所定値以上の圧力差が生じるよう選ばれている
ことを特徴とする請求項1から請求項12のいずれか1項に記載の点火またはプラズマ発生装置。 - 前記アンテナ兼中心電極部、外側導体及び前記誘電体部材により規定された空間へのガスの導入路を有する
ことを特徴とする請求項13に記載の点火またはプラズマ発生装置。 - 前記スパークプラグは、接地電極が短縮され、または、取り除かれたスパークプラグと、概ね両端開口筒状の一方の開口が窄められた形状をなす導電体からなり他方の開口付近の内面が前記スパークプラグの主体金具に羅合するキャップとを備え、
前記キャップと前記スパークプラグの中心電極との絶縁距離は窄められた開口の付近で最短となり、かつ、前記スパークプラグ及びキャップにより規定された空間の容積は、該空間にプラズマが発生した際の該空間の圧力上昇により該空間と前記孔を介して連通する空間との間に所定値以上の圧力差が生じるよう選ばれている
ことを特徴とする請求項1から請求項12のいずれか1項に記載の点火またはプラズマ発生装置。 - 前記スパークプラグ及びキャップにより規定された空間へのガスの導入路を有している
ことを特徴とする請求項15に記載の点火またはプラズマ発生装置。 - 前記スパークプラグは、このスパークプラグが設置される空間の周囲に存在する接地された導電体との間で放電を行う
ことを特徴とする請求項1から請求項16のいずれか1項に記載の点火またはプラズマ発生装置。
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