JP5725688B2 - 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、などである。
特表２００２−５４２５８６号公報

しかしながら、これまでの大気圧プラズマジェット装置では、ジェットノズル先端から１〜２ｃｍ程度でプラズマが強く減衰してしまう。そのため、表面改質効果も、ジェットノズル先端から同程度の距離までしか期待できない。大気圧プラズマジェットが産業界で利用されることが増えるに従い、表面に数ｃｍもの深い凹凸形状を持つ材料の表面改質の要求が多くなってきた。この要求に応えるためには、プラズマジェットから噴出するプラズマプルームの長さを、一層伸ばさなければならない。

本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、プラズマプルームが長く、材料が様々な表面形状を持っていても、効率よく表面改質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。

（１）請求項１の発明は、
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、大気圧プラズマジェット処理の処理対象物を収容可能な処理室と、前記処理室内が前記原料ガスで充填され、外部に対し陽圧になるように、前記処理室内に前記原料ガスを供給する供給手段と、前記処理室を構成する第１の壁面に対向する、前記処理室を構成する第２の壁面に設けられた導入口と、前記導入口と接続し、前記処理室へ、前記大気圧プラズマジェットを導入するプラズマジェットノズルと、を備えることを特徴とする大気圧プラズマジェット装置。

本発明の大気圧プラズマジェット装置は、大気圧プラズマジェットへの、雰囲気ガスの混入を防止する手段（処理室、導入口）を備えることにより、プラズマプルームが長くなる。そのため、処理対象物の表面に深い凹凸がある場合でも、凹部の底までプラズマプルームが届き、その部分を効率よく表面改質できる。また、球や多面体の形状を有する処理対象物に対し、大気圧プラズマを噴出させると、長いプラズマプルームが処理対象物の側面、さらには背面にまで回り込み、それらの部分まで効率よく表面改質できる。

前記原料ガスのうち、単１のガス種から成るものとしては、例えば、酸素、窒素、不活性ガス（例えばアルゴン等）等が挙げられる。また、前記原料ガスのうち、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ものとしては、例えば、不活性ガス（例えばアルゴン）と、他のガス（例えば、酸素、窒素等）とから成るものが挙げられる。

前記雰囲気ガスとは、大気圧プラズマジェット装置の周辺を満たしているガスであり、例えば、空気が挙げられる。

本発明の大気圧プラズマジェット装置では、大気圧プラズマジェットの少なくとも一部は、その周囲が原料ガスで充填されるから、その部分では、大気圧プラズマジェットへの雰囲気ガスの混入が防止できる。その結果、本発明の大気圧プラズマジェット装置は、長いプラズマプルームを生じさせることができる。

前記処理室は、その内部が、前記原料ガスで、外部に対し陽圧になっていることが好ましい。この場合、外部の雰囲気ガスが収容手段の内部に混入しにくいから、大気圧プラズマジェットへの、雰囲気ガスの混入を一層効果的に防止できる。

また、前記処理室は、その内部が原料ガスで陽圧となる範囲において、原料ガスの排出口を有することが好ましい。こうすることにより、プラズマジェットの運転に用いたガスの排出を妨げることがない。

本発明の大気圧プラズマジェット装置を用いれば、図２に示すように、処理室２９内に長いプラズマプルームを噴射することができる。そのため、処理対象物３９の表面に深い凹凸がある場合でも、凹部の底までプラズマプルームが届き、その部分を効率よく表面改質できる。また、処理対象物３９における広い面を一度に表面改質することができる。 （２）請求項２の発明は、
前記処理室は、前記処理対象物の前記処理室への導入、及び／又は前記処理対象物の前記処理室からの取り出しに利用可能な処理対象物出入り口を備えることを特徴とする請求項１記載の大気圧プラズマジェット装置を要旨とする。

本発明の大気圧プラズマジェット装置は、図３に示すように、処理対象物出入り口４０、４１を備えており、そこから処理対象物３９の出し入れができるので、処理対象物３９の出し入れのとき、処理室２９を全面開放する必要がない。そのため、処理対象物３９の出し入れごとに処理室２９の内部を原料ガスで置換する工程が必要なく、表面処理のプロセスを迅速化することができる。
（３）請求項３の発明は、
前記処理対象物出入り口を、前記処理室における一方の側と、前記処理室における前記一方の側とは反対側とに、それぞれ備えることを特徴とする請求項２記載の大気圧プラズマジェット装置を要旨とする。

本発明の大気圧プラズマジェット装置は、図４に示すように、処理室２９における一方の側と、処理室２９における前記一方の側とは反対側とに、それぞれ、処理対象物出入り口４０、４１、４５、４６を備えているので、例えば、一方の処理対象物出入り口から処理対象物３９を処理室２９に導入し、表面改質が終了すると、処理室２９内の処理対象物３９を、反対側の処理対象物出入り口から取り出すことができる。こうすることにより、表面改質の工程を一層迅速化することができる。
（４）請求項４の発明は、
前記処理対象物出入り口における開口面積を調整する開口面積調整手段を備えることを特徴とする請求項２又は３記載の大気圧プラズマジェット装置を要旨とする。

本発明の大気圧プラズマジェット装置は、例えば、大気圧プラズマジェットにより処理対象物の表面改質を行うときは、開口面積調整手段により、処理対象物出入り口における開口面積を小さくすることができる。こうすることで、処理室からの原料ガスの流出を低減し、処理室内の原料ガス圧を高く保つことにより、大気圧プラズマジェットへの、雰囲気ガスの混入を一層効果的に防止できる。

また、処理対象物の出し入れのときは、開口面積調整手段により、処理対象物出入り口における開口面積を大きくし、処理対象物の出し入れを容易にすることができる。
（５）請求項５の発明は、
前記原料ガスが、窒素、及び酸素のうちの一方であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の大気圧プラズマジェット装置を要旨とする。

本発明は、原料ガスを例示する。

本発明を、実施例に基づいて具体的に説明する。

１．大気圧プラズマジェット装置の構成
大気圧プラズマジェット装置１は、図１に示すように、大気圧プラズマジェット発生手段３と、筒状部材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、次のようにして、大気圧プラズマジェットを発生させる。すなわち、原料ガスは、プラズマジェット筒７内で原料ガスが渦巻きを生じるように、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、原料ガスは絶えず流れているため、プラズマも原料ガス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１７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、プラズマジェットノズル１５から外へ、アフターグロープラズマが、大気圧プラズマジェット２５として噴出する。

上記筒状部材５は、内径５ｍｍ、外径７ｍｍ、長さ６ｃｍのステンレス製パイプである。筒状部材５の上側の開口部である導入口２１は、絶縁材から成る絶縁リング２３を介して、大気圧プラズマジェット発生手段３のプラズマジェットノズル１５に、隙間を残すことなく接続している。また、筒状部材５は、その下側に、大気圧プラズマジェット２５の導出口２７を備えている。この導出口の断面形状は円形である。

２．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４０Ｌ／ｍｉｎとして、大気圧プラズマジェット発生手段３にて大気圧プラズマジェット２５を発生させた。このとき、プラズマプルームは、筒状部材５の導出口２７から２ｃｍ先まで到達した。
３．大気圧プラズマジェット装置１の作用効果
筒状部材５の導入口２３からは、大気圧プラズマジェット２５とともに、原料ガスが導入され、筒状部材５の内部は、原料ガスで陽圧になるため、筒状部材５の内部に空気が混入することがない。導入口２３から導入された大気圧プラズマジェット２５は、原料ガスで充填されている筒状部材５の内部では減衰しにくいので、筒状部材５の導出口２７に至り、そこから更に下方に向けて噴射される。その結果、大気圧プラズマジェット２５が到達する最大距離は、少なくとも、筒状部材５の分だけ長くなる。また、筒状部材５の外径は細いため、微細な隙間に挿入することができる。よって、筒状部材５を処理対象物表面に存在する凹部に差し込み、筒状部材５の導出口２７から大気圧プラズマジェット２５を噴出させることにより、凹部の奥まで容易に表面改質することができる。

なお、従来のプラズマジェット装置が備えるプラズマジェットノズルは、直径が１０〜２０ｍｍ程度あるので、凹部に差し込むことは困難であった。

１．大気圧プラズマジェット装置の構成
図２に示すように、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、処理室２９とから成る。なお、大気圧プラズマジェット発生手段３の構成は、前記実施例１と同様である。

上記処理室２９は、下方が開放した回転放物面状の上部３１と、平板状の下部３３とから構成される。上部３１の中央には、大気圧プラズマジェット発生手段３のプラズマジェットノズル１５と連通する導入口３５が設けられている。また、上部３１と下部３３との間には僅かな隙間３７が形成されている。なお、上部３１の材質は樹脂であり、下端における開口部内径は１７ｃｍ、導入口３５から下部３３までの距離は１０ｃｍである。また、下部３３の材質はガラスである。

２．大気圧プラズマジェット装置１の使用方法
処理室２９における下部３３の上側に、処理対象物として、ＰＥＴシート３９を置いた。このＰＥＴシート３９の大きさは、上部３１の開口面とほぼ等しい大きさである。そして、原料ガスの種類を窒素とし、原料ガスの流量を４０Ｌ／ｍｉｎとして、大気圧プラズマジェット発生手段３にて大気圧プラズマを発生させた。すると、導入口３５から、処理室２９の内部に向けて、大気圧プラズマジェット２５が噴出した。大気圧プラズマジェット２５は、図５に示すように、ＰＥＴシート３９まで至り、そこから更に横方向に広がった。大気圧プラズマジェット２５の噴射は、１０秒間行い、その後、ＰＥＴシート３９を取り出した。

３．大気圧プラズマジェット装置１の作用効果
上記のように大気圧プラズマジェット２５を噴射した後で、ＰＥＴシート３９の親水性改善効果を調べたところ、ＰＥＴシート３９の上面は、その全面にわたって顕著に親水性となっていた。

また、表面に凹凸を有する材料の各部にＰＥＴシートを貼り付け、同様の実験を行ったところ、大気圧プラズマジェット２５が少しでも触れたところは、十分に高い表面改質の効果が確認された。

なお、図５に示すように、大気圧プラズマジェット２５のプルームが長大化する理由は、処理室２９の内部に、外部から空気が混入しないためであると考えられる。すなわち、処理室２９の導入口３５からは、大気圧プラズマジェット２５とともに、原料ガスである窒素ガスが導入され、処理室２９の内部は、窒素ガスで陽圧になるため、処理室２９の内部に空気が混入することがない。導入口３５から導入された大気圧プラズマジェット２５は、窒素ガスで充填されている処理室２９の内部では減衰しにくいので、下部３３に至り、そこから更に横方法に広がる。

なお、上述したとおり、上部３１と下部３３との間には、微小な隙間３７が形成されており、過剰な窒素ガスを外部に排出する機能を奏するが、処理室２９の内部は窒素ガスで陽圧となっているので、隙間３７から空気が処理室２９内に混入することはない。

１．大気圧プラズマジェット装置の構成
基本的には前記実施例２と同様であるが、処理室２９の右側に、高さ３ｃｍ、幅１１ｃｍの長方形の開口部４０を備え、この開口部４０に、同じサイズの断面を持ち、水平方向の長さが１３ｃｍの矩形ダクト４１が接続されている。そして、矩形ダクト４１の出口に、開口面積を調整するシャッター（開口面積調整手段）４３を備えている。開口部４０及び矩形ダクト４１は、処理室２９への処理対象物の導入、及び、処理室２９からの処理対象物の取り出しに利用可能である。

２．大気圧プラズマジェット装置１の使用方法
シャッター４３を充分開け、矩形ダクト４１を通して、処理室２９内に処理対象物を導入する。その後、シャッター４３を下げ、矩形ダクト４１の開口面積を小さくする。次に、前記実施例２と同様にして、処理室２９内に大気圧プラズマジェットを噴射し、親水化処理を行う。親水化処理が終わると、シャッター４３を開け、矩形ダクト４１を通して、処理室２９から処理対象物を取り出す。

３．大気圧プラズマジェット装置１の作用効果
本実施例３の大気圧プラズマジェット装置１は、開口部４０及び矩形ダクト４１を備えており、そこから処理対象物の出し入れができるので、処理対象物の出し入れのとき、処理室２９を全面開放する必要がない。そのため、処理対象物の出し入れごとに処理室２９の内部を原料ガスで置換する工程が必要なく、表面改質のプロセスを迅速化することができる。

また、本実施例３の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２５により処理対象物の表面改質を行うときは、シャッター４３により、矩形ダクト４１の開口面積を小さくすることができる。こうすることにより、処理室２９からの原料ガスの流出を低減し、処理室２９内における原料ガスの圧力を陽圧に維持して、処理室２９への空気の混入を一層効果的に防止できる。なお、シャッター４３は、大気圧プラズマジェットにより処理対象物の表面改質を行うときでも、全閉にせず、わずかに開けておくことが好ましい。こうすることにより、プラズマジェットの運転に用いたガスの排出を妨げることがない。

また、処理対象物の出し入れのときは、シャッター４３を開けることにより、矩形ダクト４１の開口面積を大きくし、処理対象物の出し入れを容易にすることができる。
なお、本実施例３でも、前記実施例２と同様に、長大なプラズマプルームが生じ、処理対象物の表面改質効果を奏した。

１．大気圧プラズマジェット装置の構成
基本的には前記実施例３と同様であるが、処理室２９の右側に開口部４０及び矩形ダクト４１を備えることに加え、処理室２９の左側にも、開口部４５及び矩形ダクト４６を備えている。そして、矩形ダクト４６の出口には、その開口面積を調整するシャッター（開口面積調整手段）４７を備えている。

２．大気圧プラズマジェット装置１の使用方法
シャッター４３を充分開け、矩形ダクト４１を通して、処理室２９内に処理対象物を導入する。その後、シャッター４３を下げ、矩形ダクト４１の開口面積を小さくする。次に、前記実施例２と同様にして、処理室２９内に大気圧プラズマジェット２５を噴射し、親水化処理を行う。親水化処理が終わると、シャッター４７を開け、矩形ダクト４６を通して、処理室２９から処理対象物を取り出す。

３．大気圧プラズマジェット装置１の作用効果
本実施例４の大気圧プラズマジェット装置１は、開口部４０、４５及び矩形ダクト４１、４６を備えており、例えば、開口部４０及び矩形ダクト４１を通して、処理対象物を処理室２９内に導入し、開口部４５及び矩形ダクト４６を通して、処理対象物を取り出すことができるので、処理対象物の出し入れのとき、処理室２９を全面開放する必要がない。そのため、処理対象物の出し入れごとに処理室２９の内部を原料ガスで置換する工程が必要なく、表面改質のプロセスを迅速化することができる。

また、本実施例４の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２５により処理対象物の表面改質を行うときは、シャッター４３、４７により、矩形ダクト４１、４６の開口面積を小さくすることができる。こうすることにより、処理室２９内における原料ガスの圧力を陽圧に維持して、処理室２９への空気の混入を一層効果的に防止できる。なお、シャッター４３、４７は、大気圧プラズマジェット２５により処理対象物の表面改質を行うときでも、全閉にせず、わずかに開けておくことが好ましい。こうすることにより、プラズマジェットの運転に用いたガスの排出を妨げることがない。

また、処理対象物の出し入れのときは、シャッター４３、４７により、矩形ダクト４１、４６の開口面積を大きくし、処理対象物の出し入れを容易にすることができる。
なお、本実施例４でも、前記実施例２と同様に、長大なプラズマプルームが生じ、処理対象物の表面改質効果を奏した。
（比較例１）
前記実施例１の大気圧プラズマジェット装置１から、筒状部材５を取り除き、大気圧プラズマジェットを発生させた。原料ガスの流量等、運転条件は前記実施例１と同様とした。このとき、プラズマプルームの長さは、約２ｃｍに過ぎなかった。
（比較例２）
前記実施例１の大気圧プラズマジェット装置１と基本的には同一の構成であるが、原料ガスの種類を空気に変えて、大気圧プラズマジェットを発生させた。原料ガスの流量等、運転条件は前記実施例１と同様とした。すると、大気圧プラズマジェットは、筒状部材５の内部で強く減衰してしまい、筒状部材５の先端からプラズマの噴出が観測できなかった。また、筒状部材５の先端に処理対象物を近づけて保持しても、表面改質の効果が見られなかった。

この理由は、窒素と酸素の混合ガス（空気）のプラズマにおいては、生成された窒素原子と酸素原子が互いに激しく反応してＮＯｘを形成し、窒素原子や酸素原子の寿命を極端に短くしたためであると考えられる。
（参考例１）
前記実施例３の大気圧プラズマジェット装置１において、シャッター４３を全開としたまま、大気圧プラズマジェット２５を噴出した。このとき、プラズマプルームの長さは、約４ｃｍであり、従来の大気圧プラズマジェットの長さである２ｃｍよりは長かったが、前記実施例３におけるプラズマプルームの長さには及ばなかった。

この理由は、矩形ダクト４１の開口面積が大き過ぎたため、外部の空気が処理室２９内に混入していたからであると考えられる。
尚、本発明は前記実施例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、前記実施例１において、筒状部材５の先端断面形状を、円形ではなく、細長いスリット形状とすることにより、一度に表面改質できる幅を大きく広げることも可能である。

また、前記実施例２〜４において、処理室２９に、２個以上の大気圧プラズマジェット発生手段３を取り付け、それらを平行して同時に使用してもよい。こうすることにより、処理対象物が大きいときや、処理対象物の形状が複雑な場合でも、迅速に処理を行うことができる。また、前記実施例２〜４において、複数個の大気圧プラズマジェット発生手段３の噴出口を中心軸とは異なる方向に設け、プラズマジェットノズルの中心軸の周りに回転させることも有効である。さらに、それぞれのプラズマジェットノズルをノズルの中心軸とは異なる軸を中心に回転させて、プラズマの照射面積を広げることもできる。

また、雰囲気ガスの混入を防止する混入防止手段としては、例えば、プラズマジェットの先端に隙間を持つことなく接続された細長い筒状部材と、その筒状部材の出口先端付近において、噴出するプラズマジェットを囲むように、プラズマと同種のガスを噴出する手段と、から成るものであってもよい。こうすることによっても、プラズマジェットへの雰囲気ガスの混入を防止し、プラズマプルームをより長くすることができる。

大気圧プラズマジェット装置１の構成を表す説明図である。 大気圧プラズマジェット装置１の構成を表す説明図である。 大気圧プラズマジェット装置１の構成を表す説明図である。 大気圧プラズマジェット装置１の構成を表す説明図である。 大気圧プラズマジェットの噴出状態を表す写真である。

符号の説明

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
５・・・筒状部材
７・・・プラズマジェット筒
９・・・パルス電極
１１・・・内部電極
１３・・・外部電極
１５・・・プラズマジェットノズル
１７・・・放電プラズマ
２１、３５・・・導入口
２３・・・絶縁リング
２５・・・大気圧プラズマジェット
２７・・・導出口
２９・・・処理室
３１・・・上部
３３・・・下部
３７・・・隙間
３９・・・ＰＥＴシート
４０、４５・・・開口部
４１、４６・・矩形ダクト
４３、４７・・・シャッター

Claims (5)

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、
   大気圧プラズマジェット処理の処理対象物を収容可能な処理室と、
   前記処理室内が前記原料ガスで充填され、外部に対し陽圧になるように、前記処理室内に前記原料ガスを供給する供給手段と、
   前記処理室を構成する第１の壁面に対向する、前記処理室を構成する第２の壁面に設けられた導入口と、
   前記導入口と接続し、前記処理室へ、前記大気圧プラズマジェットを導入するプラズマジェットノズルと、
   を備えることを特徴とする大気圧プラズマジェット装置。
2. 前記処理室は、前記処理対象物の前記処理室への導入、及び／又は前記処理対象物の前記処理室からの取り出しに利用可能な処理対象物出入り口を備えることを特徴とする請求項１記載の大気圧プラズマジェット装置。
3. 前記処理対象物出入り口を、前記処理室における一方の側と、前記処理室における前記一方の側とは反対側とに、それぞれ備えることを特徴とする請求項２記載の大気圧プラズマジェット装置。
4. 前記処理対象物出入り口における開口面積を調整する開口面積調整手段を備えることを特徴とする請求項２又は３記載の大気圧プラズマジェット装置。
5. 前記原料ガスが、窒素、及び酸素のうちの一方であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の大気圧プラズマジェット装置。