JP5523242B2 - 大気圧プラズマジェット装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、各種材料表面のクリーニングや親水性改善のために用いられる大気圧プラズマジェット装置に関する。

これまで産業界では、各種材料表面のクリーニングや親水性改善のために低圧プラズマが用いられてきたが、最近、低圧プラズマに代わり、大気圧プラズマジェット（特許文献１参照）を用いる場合が増加してきている。その理由は、大気圧プラズマジェットを用いれば処理速度が速いことに加え、真空容器や真空排気装置を必要としないため、装置のコストが格段に安価であること、さらに、原料ガスとして、空気や窒素のような安価なガスが使用できるので、運転コストが安いこと等である。

特表２００２−５４２５８６号公報

産業界で大気圧プラズマジェットが使用されることが増えるに従い、横幅が大きい材料を短時間且つ低コストで処理することが望まれるようになった。しかしながら、大気中にプラズマを噴出するプラズマジェット装置では、従来、プラズマプルームの直径は１ｃｍ程度であり、材料の表面改質を行う場合に１回の掃引動作で処理できる横幅は１ｃｍ程度に限られる。そのため、横幅が大きい材料の表面処理には、掃引動作を何度も繰り返すか、多数のプラズマジェットノズルを横に並べて処理する必要があった。その結果、横幅が大きい材料を短時間且つ低コストで処理することは困難であった。

本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、横幅が大きい材料を短時間且つ低コストで処理できる大気圧プラズマジェット装置を提供することを目的とする。

本発明の大気圧プラズマジェット装置は、
単１のガス種、又はプラズマ中において相互に化学反応しにくい２以上のガス種から成る原料ガスを用いて大気圧プラズマジェットを発生させる大気圧プラズマジェット発生手段と、前記大気圧プラズマジェットのプラズマプルームを噴出するノズルと、を備え、前記ノズルは、出口側開口部の断面形状が細長いスリット形状であるとともに、その内部に、前記プラズマプルームを前記スリット形状の長手方向に広げる拡散部材を有し、前記拡散部材は、前記ノズル内部の一方の側壁における前記長手方向での中心に設けられ、反対側の側壁との間に隙間がある凸部であることを特徴とする。

本発明の大気圧プラズマジェット装置によれば、プラズマプルームが、ノズルの出口側開口部から十分遠距離まで到達し、しかも、プラズマプルームが幅広く形成される。そのため、本発明の大気圧プラズマジェット装置を用いれば、一度の掃引で幅広くプラズマプルームを照射することができ、結果として、横幅が大きい材料を効率よく均一に表面改質できる。また、多数のプラズマジェットノズルを横に並べて処理する必要が無いため、低コストでの処理が可能になる。

これは、単１のガス種、又はプラズマ中において相互に化学反応しにくい２以上のガス種から成る原料ガスを用いることで、プラズマがノズル内で減衰しにくいこと、及び拡散部材がプラズマプルームを出口側開口部の長手方向にそって幅広く均一に分布させたためであると推測できる。

前記拡散部材は、ノズル内部の側壁に設けられた凸部である。
前記単１のガス種としては、例えば、窒素、又は酸素が挙げられる。前記２以上のガス種から成る原料ガスとしては、例えば、窒素又は酸素である第１のガスと、希ガス（例えば、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドンから成る群から選ばれる１種以上）である第２のガスとの混合ガスが挙げられる。

大気圧プラズマジェット装置の全体構成を表す説明図である。 （ａ）はスリットの長手方向を含む断面におけるスリットノズル５の側断面図であり、（ｂ）はスリットの長手方向に直交する断面におけるスリットノズル５の側断面図である。 スリットの長手方向を含む断面におけるスリットノズル５の側断面を表す写真である。 （ａ）はスリットの長手方向を含む断面におけるスリットノズル５の側断面図であり、（ｂ）はスリットの長手方向に直交する断面におけるスリットノズル５の側断面図である。 表面処理後の材料の表面における接触角の測定結果を表すグラフである。

本発明の実施形態を説明する。
＜実施形態＞
１．大気圧プラズマジェット装置１の全体構成
大気圧プラズマジェット装置１の全体構成を図１に基づいて説明する。大気圧プラズマジェット装置１は、大気圧プラズマジェット発生手段３と、スリットノズル５とから成る。

上記大気圧プラズマジェット発生手段３は、周知の構造を有し、具体的には、プラズマジェット筒７、パルス電源９、内部電極１１、外部電極１３、及びプラズマジェットノズル１５を備える。この大気圧プラズマジェット発生手段３は、以下のようにして大気圧プラズマジェットを発生させる。すなわち、原料ガス１７は、プラズマジェット筒７内で原料ガスが渦巻き１８を生じるように、プラズマジェット筒７の上端より、中心軸を外して斜めに吹き込まれる。パルス電源９を用いて、パルス幅約２０マイクロ秒の高電圧パルスが、内部電極１１と外部電極１３の間に、繰返し周波数１６ｋＨｚにて印加される。このときの平均入力電力は０．７〜１ｋＷである。最初の放電はプラズマジェット筒７上部の電極間距離の小さなところで開始する。１つのパルス放電から次のパルス放電までの時間間隔が短いので、前の放電で生じたプラズマは次のパルス放電までアフターグロープラズマとして残留する。このため、次の放電はこのアフターグロープラズマを通して容易に行われる。しかし、原料ガス１７は絶えず流れているため、プラズマも原料ガス１７と共に下流のプラズマジェットノズル１５先端付近へと移動する。そして、内部電極１１の先端とプラズマジェットノズル１５の内部先端との安定な放電プラズマ１９として維持される。このとき、放電はパルス放電であるため、放電電流の経路はプラズマジェット筒７内部にとどまる。そして、アフターグロープラズマは、プラズマジェットノズル１５及びスリットノズル５を通り、プラズマプルーム２１として噴出する。このプラズマプルーム２１は、処理物２２の処理に用いることができる。

２．スリットノズル５の構成
スリットノズル５の構成を、図２、及び図３を用いて説明する。図２（ａ）は、スリットノズル５が備えるスリット（後述する出口側開口部２５）の長手方向を含む断面におけるスリットノズル５の側断面図であり、図２（ｂ）は、スリットの長手方向に直交する断面におけるスリットノズル５の側断面図である。図３は、図２（ａ）と同じ方向から見た、スリットノズル５の側断面を表す写真である。

スリットノズル５は、大気圧プラズマジェット発生手段３に接続する入口側開口部２３から、出口側開口部２５に至る、プラズマプルーム２１の通路２７を備える。スリットノズル５と大気圧プラズマジェット発生手段３との接続部は密閉されており、そこから空気が混入することはない。入口側開口部２３の断面形状は円形であり、その内径は１０ｍｍである。出口側開口部２５の断面形状は、長辺７ｃｍ、短辺１．５ｍｍの細長いスリット形状であり、図２（ａ）における左右方向がスリットの長手方向（長辺に平行な方向）となる。通路２７の長さは４ｃｍである。図２（ａ）の方向から見た通路２７の幅は、出口側開口部２５に近づくにつれて、徐々に広くなる。一方、図２（ｂ）の方向から見た通路２７の幅は、出口側開口部２５に近づくにつれて、徐々に狭くなる。

スリットノズル５において、通路２７を囲む側壁には、凸部２９が設けられている。より詳しい凸部２９の位置は、通路２７を囲む側壁のうち、出口側開口部２５の長手方向と平行な側壁３１上である。凸部２９の上下方向における位置は、入口側開口部２３と出口側開口部２５との間である。また、図２（ａ）の方向から見た凸部２９の左右方向における位置は、通路２７の左右方向における中心と一致し、また、出口側開口部２５の左右方向における中心と一致する。凸部２９と、反対側の側壁３３との間には、図２（ｂ）に示すように、隙間が存在する。

なお、大気圧プラズマジェット発生手段３のうち、スリットノズル５を接する部分は、絶縁体からなる絶縁部３ａとなっている。
３．大気圧プラズマジェット装置１の使用方法
原料ガスの種類を窒素とし、原料ガスの流量を３０Ｌ／ｍｉｎとして、大気圧プラズマジェット発生手段３にてプラズマプルーム２１を発生させた。このとき、プラズマプルーム２１は、スリットノズル５の出口側開口部２５から１ｃｍ先まで噴出した。また、プラズマプルーム２１は、図１に示すように、出口側開口部２５の長手方向において、幅広く均一に噴出した。

これは、単１のガス種（窒素）を用いることで、プラズマがスリットノズル５内でほとんど減衰しなかったこと、及び凸部２９がプラズマの流れを制御し（スリットの長手方向における中心部でのプラズマ流の抵抗を高めてスリットの両端部へプラズマを再配分し）、プラズマプルーム２１を出口側開口部２５の長手方向にそって幅広く均一に分布させたためであると推測できる。また、スリットノズル５は、空気中の酸素がプラズマに混入することを防いでいるため、プラズマの減衰が一層抑制されたと推測できる。また、図２（ｂ）に示すように、凸部２９と、反対側の側壁３３との間に隙間が存在することにより、スリットの長手方向における中心部でのプラズマ流の抵抗が過度に大きくならず、中心部にもプラズマプルーム２１が配分される。

４．大気圧プラズマジェット装置１の作用効果
大気圧プラズマジェット装置１によれば、上述したように、プラズマプルーム２１は、スリットノズル５の出口側開口部２５から十分遠距離まで到達し、しかも、プラズマプルーム２１が幅広く形成される。そのため、大気圧プラズマジェット装置１を用いれば、一度の掃引で幅広くプラズマプルームを照射することができ、結果として、横幅が大きい材料を効率よく均一に表面改質できる。

このことを以下の試験により確かめた。大気圧プラズマジェット装置１を用いて、横幅が大きい材料の表面を一度の掃引で処理した。そして、処理後の材料の表面における水の接触角を測定した。その結果を図５に示す。図５における横軸は、掃引方向に直交する方向の位置座標であり、０の位置がプラズマプルーム２１の中心位置である。また、図５における縦軸は、処理後の材料の表面における水の接触角である。図５に示すように、１回の掃引のみで、非常に幅広い範囲が効果的に処理され、その部分では水の接触角が大幅に低下していた。

５．変形例
スリットノズル５は、図２に示すものの代わりに、図４に示すものであってもよい。図４（ａ）は、スリットノズル５が備えるスリットの長手方向を含む断面におけるスリットノズル５の側断面図であり、図４（ｂ）は、スリットの長手方向に直交する断面におけるスリットノズル５の側断面図である。

このスリットノズル５の構成は、基本的には、図２に示すものと同様であるが、凸部２９の代わりに、ルーバー部材３５を備えている。ルーバー部材３５は、複数の板状部材３７から構成される。板状部材３７はそれぞれ、出口側開口部２５の長手方向と直交する向きに取り付けられる。また、板状部材３７は、図４（ａ）における左右方向に沿って並べて配列され、左右方向における中央に位置するものは、鉛直に立ち、左右両端に近づくにつれて、鉛直方向に対して傾斜している。傾斜の向きは、板状部材３７の下端が外側となる向きである。また、板状部材３７は、図４（ｂ）に示すように、一方の側壁３１から反対側の側壁３３にまで到達している。

この変形例でも、プラズマプルーム２１は、スリットノズル５の出口側開口部２５から十分遠距離まで到達し、しかも、プラズマプルーム２１が幅広く形成される。そのため、大気圧プラズマジェット装置１を用いれば、一度の掃引で幅広くプラズマプルームを照射することができ、結果として、横幅が大きい材料を効率よく均一に表面改質できる。

この変形例では、ルーバー部材３５が、プラズマの流れを制御し（スリットの長手方向における中心部でのプラズマをスリットの両端部へ再配分し）、プラズマプルーム２１を出口側開口部２５の長手方向にそって幅広く均一に分布させていると推測できる。
＜比較例１＞
前記実施形態と基本的には同様の構成を有するが、原料ガスとして空気（窒素と酸素との混合ガス）を用いる大気圧プラズマジェット装置についてプラズマプルームの形成を試みた。その結果、スリットノズル５からプラズマの噴出が観測できなかった。また、表面改質の効果も得られなかった。これは、プラズマ中において窒素と酸素が相互に化学反応し、プラズマが減衰してしまったためであると推測できる。
＜比較例２＞
前記実施形態と基本的には同様の構成を有するが、スリットノズル５の内部に、凸部２９及びルーバー部材３５のいずれも備えられていない大気圧プラズマジェット装置についてプラズマプルームの形成を試みた。その結果、プラズマプルームは、極く狭い範囲にのみ形成された。これは、スリットノズル５の内部に凸部２９及びルーバー部材３５のいずれも備えられていないため、プラズマの流れが制御されなかったためである。

尚、本発明は前記実施の形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば、プラズマプルームを出口側開口部２５の長手方向に広げるためにスリットノズル５の内部に設ける部材は、凸部２９及びルーバー部材３５には限定されず、上記の目的を達する形状のものを広く用いることができる。

また、原料ガスは、酸素であってもよい。また、原料ガスは、希ガスと窒素との混合ガスであってもよいし、希ガスと酸素との混合ガスであってもよい。

１・・・大気圧プラズマジェット装置、３・・・大気圧プラズマジェット発生手段、
３ａ・・・絶縁部、５・・・スリットノズル、７・・・プラズマジェット筒、９・・・パルス電源、
１１・・・内部電極、１３・・・外部電極、１５・・・プラズマジェットノズル、
１７・・・原料ガス、１８・・・渦巻き、１９・・・放電プラズマ、２１・・・プラズマプルーム、
２２・・・処理物、２３・・・入口側開口部、２５・・・出口側開口部、２７・・・通路、
２９・・・凸部、３１、３３・・・側壁、３５・・・ルーバー部材、３７・・・板状部材

Claims (3)

1. 単１のガス種、又はプラズマ中において相互に化学反応しにくい２以上のガス種から成る原料ガスを用いて大気圧プラズマジェットを発生させる大気圧プラズマジェット発生手段と、
   前記大気圧プラズマジェットのプラズマプルームを噴出するノズルと、
   を備え、
   前記ノズルは、出口側開口部の断面形状が細長いスリット形状であるとともに、その内部に、前記プラズマプルームを前記スリット形状の長手方向に広げる拡散部材を有し、
   前記拡散部材は、前記ノズル内部の一方の側壁における前記長手方向での中心に設けられ、反対側の側壁との間に隙間がある凸部であることを特徴とする大気圧プラズマジェット装置。
2. 前記単１のガス種は、窒素、又は酸素であることを特徴とする請求項１に記載の大気圧プラズマジェット装置。
3. 前記２以上のガス種から成る原料ガスは、窒素又は酸素である第１のガスと、希ガスである第２のガスとの混合ガスであることを特徴とする請求項１に記載の大気圧プラズマジェット装置。