JP6316047B2 - ガス処理装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は，ガス処理装置に関する。

生活空間内、冷蔵庫内、倉庫内等の大気ガスやプロセス装置からの排ガスに、有害物質、悪臭物質等が含まれることがある。このような有害物質、悪臭物質等を分解、殺菌等（以下、ガス分解とする）する、高効率で小型のガス分解装置（空気清浄装置、空気清浄エアコン、およびガス浄化装置を含む）が求められている。

一般に、ガス分解装置では、送風機によって分解対象ガスをガス分解室に導入し、放電、分解触媒、光触媒、またはラジカル（オゾン等）によって、分解、浄化する。
また、プラズマ・アクチュエータを用いて、処理対象のガスを浄化処理手段に送風する技術も公開されている。
しかしながら、ガス分解装置において、難分解性ガスを高速度で分解することは必ずしも容易でない。

ガス分解装置においてガス分解率の向上は、大ガス流量の処理と大きなガス分解反応速度を意味する。それぞれを説明する。

Ａ）大流量処理
触媒によるガス分解の手法は、簡便であり、良く用いられる。しかし、この手法は、触媒表面での反応によるガスの吸着・分解反応を利用する。このため、ガス流路に対して表面積が十分大きくない場合、反応レートを確保し難くなる。このとき、表面積を増大するために、目の細かい触媒担持フィルタが用いられる。その結果、圧力損失が大きく、大流量を流し難くなる。圧力損失を克服するために、大容量の送風が必要となり、装置の巨大化、価格上昇、消費電力の増加を招く。さらに、目詰まり解消のために、定期的なフィルタの交換が必要となる。

光触媒の場合には、光を照射した表面でのみ反応するため、表面への分解対象ガスの到達と光照射の双方が必要となり、分解効率を大きくすることが困難となる。また、そのための大きな表面積が必要となり、装置が大型となる。

放電によるガス分解は、気相中での分解反応を利用する。しかし、大気圧での放電範囲、例えば、針電極の放電範囲は針の先端部１ｍｍ程度以下と非常に小さい。従い、ガスの素通りによる未分解を避けるために、電極群を密に配置することが必要となる。結局、圧力損失が大きくなり、大きな流量を流すために、大容量かつ大型の送風機が必要となる。

つまり、一般のガス分解装置において、ガス分解率と圧力損失がトレードオフの関係となる。このため、大流量のガス分解処理のために、大型の装置が必要となる。即ち、装置の小型化が困難となり、かつフィルタの交換が必要となる。

Ｂ）ガス分解反応速度大
ガス分解反応速度は、分解を引き起こす化学種の量と反応速度（酸化反応でガス分解をする場合には、酸化剤の量と酸化反応速度（酸化電位））で決まる。オゾンは、放電による生成が容易で高密度供給が可能であり、寿命も長いため、ガス分解処理によく使いられる。オゾンは、アンモニアやホルムアルデヒドガスの分解には有効である。しかし、オゾンは、難分解性ガス（例えば、トルエンやアセトアルデヒドガス）の分解には酸化力が不足している。このため、オゾンを高濃度で供給しても、難分解性ガスを高速で分解することは困難である。

活性酸素を有するＯＨラジカル、Ｏラジカルは、酸化力も強く、難分解ガスを高速度で分解することが可能である。しかし、ＯＨラジカル、Ｏラジカルは、反応性が高いために寿命が短く、分解対象ガスに高密度に供給することが困難となる。

分解を引き起こす化学種を増やすために、反応剤をフィルタやメッシュ等に担持する手法もある。しかし、この手法でも、表面への対象ガスの拡散・供給が必要となり、結局、酸化剤と対象ガスが大量に近接し、反応することは困難である。

特開２００８−２８９８０１号公報

本発明は，効率的なガスの処理を可能とするガス処理装置を提供することを目的とする。

実施形態のガス処理装置は，互いに対向する第１、第２の誘電体基板と、前記第１、第２の誘電体基板の対向する一対の主面上それぞれに配置される第１、第２の放電電極と、前記第１、第２の誘電体基板の前記一対の主面と反対側の一対の主面上それぞれに配置される第１、第２の接地電極と、前記第１、第２の放電電極間に被処理ガスを供給するガス流路と、前記第１、第２の放電電極と前記第１、第２の接地電極との間それぞれに交流電圧を印加することで、前記被処理ガスを放電させ、第１、第２のプラズマ誘起流を生成する交流電源と、前記第１、第２の放電電極の下流の前記第１、第２の誘電体基板間に配置され、前記第１、第２の誘電体基板の間隔が、前記第１、第２のプラズマ誘起流の厚さの合計の１．３倍以下である領域と、を備える。

第１の実施形態に係るガス分解装置１０の全体構成を示す側面図である。 処理ユニットＵを構成するガス分解素子２０の詳細を表す拡大模式図である。 ガス分解素子２０の動作状態を概念的に表す拡大側面図である。 プラズマ誘起流Ｆｐの流速Ｖの分布を表すグラフである。 プラズマ誘起流Ｆｐの最大流速Ｖｍａｘの印加電圧Ｖｒｆ依存性を表すグラフである。 間隔Ｇとガス分解率Ｒｃおよび流量Ｑの対応関係を表すグラフである。 間隔Ｇとガス分解レートＶｒの対応関係を表すグラフである。 プラズマ誘起流Ｆｐの流速Ｖの分布を表すグラフである。 ガス分解率Ｒｓの印加電圧Ｖｒｆ依存性を表すグラフである。 プラズマ生成オゾンを利用したガス分解装置のガス分解・除去性能を表すグラフある。 プラズマ生成オゾンを利用したガス分解装置のガス分解・除去性能を表すグラフある。 トルエンの分解時間特性を表すグラフである。 変形例１に係る処理ユニットＵを示す側面図である。 変形例２に係る処理ユニットＵを示す側面図である。 変形例３に係る処理ユニットＵを示す側面図である。 変形例４に係る処理ユニットＵを示す側面図である。 変形例５に係る処理ユニットＵを示す側面図である。 変形例６に係る処理ユニットＵを示す側面図である。 第２の実施形態に係るガス分解装置１０の全体構成を示す側面図である。 第３の実施形態に係るガス分解装置１０の全体構成を示す側面図である。 第４の実施形態に係るガス分解装置１０の全体構成を示す側面図である。

以下，図面を参照して，実施形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るガス分解装置１０の全体構成を示す。
ガス分解装置１０では、放電電極と接地電極間に印加された交流高電圧で発生する放電により、大気やプロセス排気ガスに含まれる分解対象ガス（炭素または窒素の少なくともいずれかを含むガス、例えば、ホルムアルデヒド、トルエン、アセトアルデヒド、アンモニアガス）を分解する。ガス分解装置１０は、被処理ガスを処理するガス処理装置として機能する。

ガス分解装置１０は、ガス導入口１１，流路拡大部１２，プレフィルタ１３，ガス分解室１４，オゾン処理室１５，ガス流出口１６を有し、これらの内部はガス流通空間となっている。

ガス導入口１１に、分解対象ガスを含む被処理ガスが導入される。
流路拡大部１２は、ガス導入口１１からプレフィルタ１３，ガス分解室１４へと流路を拡大する。流路拡大部１２は、放電電極２２間（または放電電極２２とガス流隔壁２６の間）に被処理ガスを供給するガス流路である。

プレフィルタ１３は、ガス分解室１４に流入するガス中のダスト、チリ等を除去する。

ガス分解室１４は、複数のガス分解素子２０（１）〜２０（５）を含む処理ユニットＵが配置され、被処理ガスを処理する。なお、処理ユニットＵの詳細は後述する。
オゾン処理室１５は、オゾン処理器（図示せず。例えば、オゾン触媒）を有し、ガス分解室１４で生成した高濃度のオゾンガスやＮＯｘを処理、分解する。
ガス流出口１６から、分解された分解対象ガスを含む被処理ガスが流出する。

被処理ガスは、ガス導入口１１から導入され、プレフィルタ１３、ガス分解室１４（処理ユニットＵ）、オゾン処理室１５を通過し、ガス流出口１６から排気される。

図２は、処理ユニットＵを構成するガス分解素子２０の詳細を拡大して表す。
処理ユニットＵは、ガス分解素子２０（２０（１）〜２０（５））、ガス流隔壁２６を有する。ここでは、処理ユニットＵに含まれるガス分解素子２０の個数を５としているが、これは適宜に変更できる。

ガス分解素子２０は、誘電体基板２１（２１ａ，２１ｂ）、放電電極２２（２２ａ，２２ｂ）、接地電極２３，絶縁封止層２４、光触媒層２５（２５ａ，２５ｂ）、ガス流隔壁２６を有する。
誘電体基板２１は、誘電体材料（例えば、石英）の基板である。誘電体基板２１として、例えば、厚さ１ｍｍの石英板を用いることができる。
放電電極２２、接地電極２３は、金属等の導電体から構成される。例えば、スパッタリングを用いて、誘電体基板２１上に金（Ａｕ）の薄膜を形成し、放電電極２２、接地電極２３とすることができる。

隣接するガス分解素子２０の誘電体基板２１は、間隔Ｇ１を有して配置される。
最上部（および最下部）のガス分解素子２０の誘電体基板２１は、ガス流隔壁２６と、間隔Ｇ２を有して配置される。なお、ここでは、間隔Ｇ１、Ｇ２に対して、放電電極２２の厚さや光触媒層２５の厚さは無視できるとしている。

放電電極２２（２２ａ、２２ｂ）、接地電極２３、誘電体基板２１（２１ａ，２１ｂ）は、例えば、長さ方向（Ｘ方向）、奥行き（Ｚ方向）でそれぞれ２ｍｍｘ３０ｍｍ、１０ｍｍｘ３０ｍｍ、２０ｍｍｘ５０ｍｍである。また、間隔Ｇ（Ｇ１，Ｇ２）は、例えば、２ｍｍである。その結果、ガス分解室１４（処理ユニットＵ）は、例えば、２０ｍｍｘ３０ｍｍｘ５０ｍｍと、小型化できる。

絶縁封止層２４は、接地電極２３での逆放電を抑制するためのものである。絶縁封止層２４として、例えば、シリコン酸化膜、誘起絶縁膜、絶縁シリコーン充填剤、あるいはカプトンテープ被覆を利用することができる。
接地電極２３に気体が接触すると、逆放電による逆流により、後述のプラズマ誘起流Ｆｐの流れが抑制されたり、微小空間で異常放電（過熱）が起きたりする。それらを防止するために、絶縁封止層２４の周辺は、絶縁封止層２４で密着密閉することが望ましい。

光触媒層２５ａ，２５ｂは、光触媒材料（例えば、ＴｉＯ_２）の層であり、誘電体基板２１上の、プラズマＰ付近、あるいはプラズマＰ内に配置される。光触媒層２５ａ，２５ｂは、例えば、光触媒材料の塗布によって形成できる。

光触媒層２５ａ，２５ｂは、プラズマＰからの発光によって活性化され、プラズマＰ中に含まれるＮＯｘ等を除去する。即ち、プラズマＰ自体、および光触媒によるガスの分解が相俟って、ガス分解率を向上できる。

なお、ガス分解素子２０は、光触媒層２５を有しなくても良い。但し、ガス分解素子２０が光触媒層２５を有すると、ガスの分解をより促進できる。

高電圧交流電源３０は、放電電極２２ａ，２２ｂと、接地電極２３との間に交流高電圧（例えば、１０ｋＨｚ、６ｋＶの正弦波電圧）を印加する。

ここで、隣接する誘電体基板２１は、間隔Ｇ１で対向するように配置されている。
また、最上層、最下層の誘電体基板２１と間隔Ｇ２で対向するようにガス流隔壁２６が配置されている。

間隔Ｇ１は、後述するように、対向する一対の誘電体基板２１上のプラズマ誘起流Ｆｐの厚さｈの合計の１．３倍以下である（Ｇ１≦１．３＊２ｈ＝２．６ｈ）。具体的には、間隔Ｇ１は、２ｍｍ以上、８ｍｍ以下とすることが好ましい。難分解性ガスの分解効率を上げるため、間隔Ｇ１を２ｍｍ以上、６ｍｍ以下として、「Ｇ１≦１．０＊２ｈ」を満たすことがより好ましい。

間隔Ｇ２は、誘電体基板２１上のプラズマ誘起流Ｆｐの厚さｈの１．３倍以下である（Ｇ２≦１．３＊ｈ）。具体的には、間隔Ｇ２は、１ｍｍ以上、４ｍｍ以下とすることが好ましい。難分解性ガスの分解効率を上げるため、間隔Ｇ２を１ｍｍ以上、３ｍｍ以下として、「Ｇ２≦１．０＊ｈ」を満たすことがより好ましい。

間隔Ｇ１、Ｇ２をこのように設定することで、プラズマＰ中の活性酸素（ＯＨラジカル、Ｏラジカル）を有効に活用し、分解対象ガスを効率的に分解できる。

図３は、ガス分解素子２０の動作状態を概念的に表す。
高電圧交流電源３０からの交流高電圧によって、放電電極２２側の接地電極２３方向にプラズマＰが生成される。プラズマＰは、正イオンと電子を含む。この正イオンは放電電極２２から接地電極２３上の誘電体基板２１の表面方向に流れる。この流れは、大気と衝突し、その周囲にガス気流を伴い、プラズマ誘起流Ｆｐが発生する。

プラズマＰに接する誘電体基板２１の表面に電子が蓄積して負にチャージアップする。このため、放電電極２２から接地電極２３に対応する、誘電体基板２１の表面方向に、正イオンが平均的に流れる。生成するプラズマＰが薄い表面プラズマであるため、プラズマ誘起流Ｆｐも誘電体基板２１の近傍を流れる表面流となる。即ち、放電電極２２に対して接地電極２３をＸ方向にずらして配置することで、Ｘ方向に流れるプラズマ誘起流Ｆｐが生成される。

図４は、プラズマ誘起流Ｆｐの流速Ｖの分布を表すグラフである。
横軸は誘電体基板２１の上下方向での位置Ｙであり、Ｙ＝６ｍｍの位置が誘電体基板２１の表面に対応する。熱線流速計を上下に動かして、プラズマ誘起流Ｆｐの流速Ｖの分布を測定した。ここでは、周波数ｆが１０ｋＨｚ、印加電圧Ｖｒｆが６ｋＶの正弦波電圧を印加している。

図４に示す通り、誘電体基板２１の表面近傍（半値幅（厚み）ｈ＝２．４ｍｍ程度）のみにプラズマ誘起流Ｆｐが流れる。即ち、厚さｈが２．４ｍｍのプラズマ誘起流Ｆｐが発生している。

図５は、プラズマ誘起流Ｆｐの最大流速Ｖｍａｘの印加電圧Ｖｒｆ依存性を表すグラフである。
図５に示す通り、プラズマ誘起流Ｆｐは約３ｋＶの印加電圧Ｖｒｆから生成される。印加電圧Ｖｒｆの増加とともにプラズマの密度（イオン密度）が高くなり、引き込み電界も大きくなる。このため、印加電圧Ｖｒｆの増加とともに、プラズマ誘起流Ｆｐの流速Ｖは大きくなる。

ファン等の送風装置を用いて外部からの流れ（圧力）を発生すること無しに、放電電極２２上にプラズマ誘起流Ｆｐが生成される。既述のように、誘電体基板２１とガス流隔壁２６の間隙Ｇ２は小さい。このため、上流から吸い込んだ被処理ガスは、プラズマＰ内を通過する。

周波数ｆ、印加電圧Ｖｒｆは、２〜２００ｋＨｚ，３ｋ〜１５ｋＶの範囲で適宜に変更できる。特に好ましい範囲として、周波数ｆ、印加電圧Ｖｒｆを５〜２０ｋＨｚ，５ｋ〜１０ｋＶとすることができる。このように周波数ｆ、印加電圧Ｖｒｆを変更すると、プラズマ誘起流Ｆｐの厚みｈは、１．５〜３ｍｍの範囲で変動する。この結果、間隙Ｇ１，Ｇ２はそれぞれ、例えば、１〜４ｍｍ、２〜８ｍｍの範囲で適宜に設定できる。

次に、ガス分解機構について述べる。大気や分解対象ガスは、放電によって、一部分解される。
大気中の酸素ガス（Ｏ_２）、水分（Ｈ_２Ｏ）、分解対象ガス中の水素、窒素、酸素成分から、活性酸素（ヒドロキシラジカル：ＯＨ、酸素原子ラジカル：Ｏ、オゾン：Ｏ_３等）が生成する。
そして、分解対象ガス（例えば、ホルムアルデヒド、トルエン、アセトアルデヒド、アンモニアガス）は、酸化剤と混合されると、（１）、（２）、（３）に示される反応によって、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、ＮＯｘ（ＮＯ_２、ＮＯ）等に分解される。
なお、ＮＯｘは後段に設置した光触媒層２５ａ，２５ｂやオゾン処理層１５で除去できる。

分解対象ガス ＋ ＯＨ → ＣＯ_２ ＋ Ｈ_２Ｏ ＋ＮＯｘ （１）
分解対象ガス ＋ Ｏ → ＣＯ_２ ＋ Ｈ_２Ｏ ＋ＮＯｘ （２）
分解対象ガス ＋ Ｏ_３ → ＣＯ_２ ＋ Ｈ_２Ｏ ＋ＮＯｘ （３）

表１に主な酸化剤（活性酸素）による酸化電位Ｖｏ、温度１９８［Ｋ］におけるトルエンガスとの反応速度Ｖｒ［ｃｍ^３／molecules］、大気中での活性酸素の寿命Ｌｓを示す。

表１に示すように、活性酸素の酸化電位ＶｏはＯＨ＞Ｏ＞Ｏ_３であり、この順番で分解対象ガスに対するガス分解能力が大きく、反応速度も大きい。即ち、ホルムアルデヒドやアンモニアガス等、分解されやすいガスの場合は、Ｏ_３でも十分に高速、高効率で分解が可能である。

しかし、トルエンやアセトアルデヒドは難分解ガスである。例えば、トルエンガスの場合、表１に示すように、酸化剤とトルエンガス（室温下（２９８［Ｋ］））での反応速度は、「Ｏ_３＜＜Ｏ＜ＯＨ」の順となる。Ｏ_３によるトルエン等の分解速度は非常に小さく、実質殆ど分解しない。

一方、反応性に応じて寿命Ｌｓが大きく変わり、大気中での酸化剤の寿命Ｌｓは「Ｏ_３＞＞Ｏ＞ＯＨ」の順となる。ＯＨやＯは高活性ゆえに寿命が非常に短い。流れの速度１０［ｍ／ｓ］を仮定すると、ＯＨやＯはそれぞれ１ｍｍ、１０ｍｍ程度しかプラズマＰの下流で生き残らない。その結果、プラズマ誘起流Ｆｐの下流での酸化剤による気相中でのガス分解を考えると、ＯＨやＯと分解対象ガス分子の衝突は少なく、分解が困難となる。Ｏ_３は寿命が長い（数１０分）ために、十分下流でも分解対象ガスと衝突して分解反応が起こる。但し、Ｏ_３は難分解ガスとはエネルギー的に反応することが困難となる。

本実施形態では、図２に示すように、誘電体基板２１に対向して、他の誘電体基板２１またはガス流隔壁２６が配置される。このため、プラズマ誘起流Ｆｐ（あるいは、ファン等の送風を付加した被処理ガスの流れ）はプラズマＰ内を通過する。そのため、短寿命のＯＨやＯラジカルと分解対象ガス（被処理ガスに含まれる）がプラズマＰ（あるいは近傍で）反応して、高効率で分解される。

ここで、プラズマＰ（表面プラズマ）を通ったガスはプラズマ誘起流Ｆｐ（厚みｈ）となり、下流に流れる。間隔Ｇを厚みｈより大きくすると、プラズマＰ内を通らずプラズマＰの上方を素通りする、被処理ガスの流れも発生する。その結果、ガス分解素子２０によるガス分解速度Ｖｒは低下する。

以下、ガス分解速度Ｖｒの間隔Ｇ依存性を説明する。
図６のグラフ１は、間隔Ｇとガス分解率Ｒｃの対応関係を表す。図６のグラフ２は、間隔Ｇとプラズマ誘起流Ｆｐの流量Ｑの対応関係を表す。また、図７は、間隔Ｇと反応速度Ｖｒの対応関係を表す。

ガス分解率Ｒｃの算出に当たって、印加電圧Ｖｒｆを８．５ｋＶとし、被処理ガスの流量Ｑを０．０２５ｍ^３／ｍｉｎとした。また、プラズマ誘起流Ｆｐの厚みｈを２．４ｍｍとした。
また、プラズマ誘起流Ｆｐの厚みｈを通過する被処理ガスは、プラズマＰと十分に混合されると仮定する。

図６のグラフ１で示されるように、厚みｈより大きな間隔Ｇ２ではプラズマＰの外を素通りする気流が増え、ガス分解率Ｒｃが顕著に低下する。間隔Ｇ２が厚みｈの１．３倍以下であれば、最大のガス分解率Ｒｃｍａｘの３／４以上の分解率が確保される。すなわち、間隔Ｇ２は厚みｈの１．３倍以下に設定することが重要である。これに対して、間隔Ｇ１は、プラズマ誘起流Ｆｐの厚みｈの２．６倍以下に設定される。

また、間隔Ｇが狭くなると、圧力損失により流量Ｑが減少する。この効果を平板（誘電体基板２１）間の圧力損失から見積もると図６のグラフ２に示すとおりとなる。なお、アルバック編真空ハンドブックのコンダクタンスデータ使用し、間隔Ｇ２ｍｍでの流量Ｑで規格化した。

図７は、間隔Ｇと１パス分解レートＶｒの対応関係を表す。１パスでのガス分解レートは、ガス分解装置１０（処理ユニットＵ）を１回のみ通過したときのガスの分解レートを表す。

ガス分解レートＶｒは、ガス分解率Ｒｃと流量Ｑの掛け算で決まる。即ち、ガス分解レートＶｒは、プラズマ誘起流の厚みｈに等しい間隔Ｇで極大となる。また、ガス分解レートＶｒは、厚みｈ±３０％の範囲の間隔Ｇにおいて、ガス分解レートＲは最大から約３／４以上の値が確保される。

図１に示す処理ユニットＵを用いたときのガス分解実施動作について説明する。図１，図２に示した基本構成の処理ユニットＵを用いることにより、最上層、最下層以外のガス流隔壁２６を誘電体基板２１に替えることができ、処理ユニットＵの積層幅を小さく抑えることが可能となる。この結果、小型の処理ユニットＵで大流量のプラズマ誘起流Ｆｐを生成できる。

図８は、プラズマ誘起流Ｆｐの流速Ｖの分布を表すグラフである。図４と同様、熱線流速計を上下に動かして、プラズマ誘起流Ｆｐの流速Ｖの分布を測定した。ここでは、１０ｋＨｚ、６ｋＶの正弦波電圧を印加している。誘電体基板２１間の間隔Ｇ１と最上層、最下層の誘電体基板２１とガス流隔壁２６の間隔Ｇ２を２ｍｍとした。
図８に示すように、間隔Ｇ１，Ｇ２（＝２ｍｍ）と対応する幅で、６流路の安定したプラズマ誘起流Ｆｐが観測されている。

図９は、トルエンガスの１パスでのガス分解率Ｒｓの印加電圧Ｖｒｆ依存性を表すグラフである。ここでは、図１において、ガス導入口１１から５０ｐｐｍ濃度のトルエンガスを含む大気を被処理ガスとして供給している。

ガス分解素子２０を通過した被処理ガスをサンプリングして、ＦＴ−ＩＲでトルエンガスの濃度を測定した。印加電圧Ｖｒｆを約４ｋＶとすることで、プラズマＰが生成された。ガス分解率Ｒｓは、印加電圧Ｖｒｆの上昇とともに増加し、印加電圧Ｖｒｆが８．５ｋＶで、約２８％となった。
即ち、間隔Ｇ１を２ｍｍと狭ギャップとしたにもかかわらず、ファンレスで流量Ｑ＝０．０２５［ｍ^３／ｍｉｎ］が実現されている。

このように、トルエンの分解反応速度が非常に大きいのは、プラズマＰで生成されたＯＨ、Ｏラジカルとトルエンガスが直接衝突することによって、トルエンガスが高効率に分解されたためである。

図１０、図１１は市販の大型脱臭装置、プラズマ生成オゾンを利用したガス分解装置のガス分解・除去性能を一例として示したものである。グラフ３，４，５がそれぞれ、トルエン、ホルムアルデヒド、およびアンモニアに対応する。図１１は、図１０の一部を拡大したものである。

ここでは、初期濃度を１００として規格化している。１ｍ^３の密閉空間、流量２．５ｍ^３／ｍｉｎの条件で計測されている。装置サイズは４１５ｍｍｘ２３９ｍｍｘ５５５ｍｍである。アンモニア、ホルムアルデヒド等、分解除去しやすいガスは数分で除去できるが、トルエンガスは２時間かかっても半分の量を除去できない。

ここで、本実施形態との比較のため、トルエンの１次反応による分解率を見積もると、１パスでのガス分解率Ｒｃは０．３％程度（流量２．５［ｍ^３／ｍｉｎ］）となる。

以上の実験結果からトルエンの分解時間特性を算出したものが図１２である。グラフ１１〜１４は本実施形態のガス分解装置１０での１パス分解率Ｒｃを表し、グラフ１０は、比較例として、市販の大型脱臭市販装置での１パス分解率Ｒｃを表す。グラフ１１では、放電電極２２および接地電極２３のＺ軸方向長さ、ガス分解素子２０の段数を３０ｍｍ５段としている。これに対して、グラフ１２〜１４ではそれぞれ、放電電極２２および接地電極２３のＺ軸方向長さ、ガス分解素子２０の段数を１００ｍｍ５段、２００ｍｍ１０段、３００ｍｍ２０段としている。

ここでは、１ｍ^３の密閉空間内部においてガス分解装置１０を動作させたときのトルエン濃度の経時変化を求めている。なお、図１０，図１１と同様、初期濃度を１００として、規格化している。

前述したように、本実施形態のガス分解装置１０は、市販の大型脱臭装置と比較して、１パス分解率が約１００倍（２８％対０．３％）である。ガス分解装置１０と市販の大型脱臭装置での流量比が１／１００であるため、グラフ１０、１１に示されるように、トルエン除去性能としては、ほぼ同等となる。

また、ガス分解装置１０はファンレス構成であり、その体積サイズは（１／６）ｘ（１／４）ｘ（１／５）と、市販の大型脱臭市販装置の約１／１００以下となっている。

プラズマ誘起流Ｆｐ自体の流速は、印加電圧と流路の間隔Ｇ（Ｇ１，Ｇ２）で決まる。このため、本実施形態のガス分解装置１０でのガス流量は、Ｙ方向（段数）、Ｚ方向（奥行き方向）を増やすことで、増大させることができる。このとき、通過するガスの分解率は変化しない。

グラフ１４に示す３００ｍｍ２０段の場合でも、処理ユニットＵは、２００ｘ４００ｘ１５０ｍｍと市販大型装置の１／３程度の体積となり、トルエンガス等の難分解ガスも数分〜１０分程度での除去が可能である。

すなわち、本実施形態によれば、大きなガス分解反応に起因して、処理ユニットＵの大幅な小型化が図れる。さらに、放電電極２２および接地電極２３の面積を増やすことにより、より小型で大幅に高効率なガス分解が可能となる。

また、放電電極２２および接地電極２３の上流や下流、あるいは、光触媒層２５の下流にファンを設定してガス流量を増やしても良い。その場合でも、プラズマ誘起流Ｆｐによって、圧力損失は緩和、克服される。

以上のように、本実施形態では、誘電体基板２１を挟んだ放電電極２２と接地電極２３間に交流高電圧を印加して誘電体バリア放電を発生させ、誘電体基板２１の表面近傍を流れるプラズマ誘起流Ｆｐを誘発させる。

本実施形態では、プラズマ誘起流Ｆｐの厚みｈに対応するように、一対の誘電体基板２１を対向して配置している。このため、被処理ガスを薄いプラズマ（表面プラズマ）Ｐ内に引き込むことが容易となる。その結果、プラズマＰ内で生成する高活性で寿命の短いＯＨラジカル、Ｏラジカルと分解対象ガスが高速で反応する。

また、プラズマ誘起流Ｆｐの存在によって、一対の誘電体基板２１間での圧力損失は非常に小さくなる。つまり、小型でありながら大流量であり、かつ高効率なガス分解装置１０が提供できる。またファンレスも可能となり、ガス分解装置１０はさらに小型化する。

（第１の実施形態の変形例）
図１３は、第１の実施形態の変形例１に係る処理ユニットＵを表す模式図である。この処理ユニットＵは、接続された一対の誘電体基板２１ａ，２１ｂそれぞれにガス流隔壁２６が対向している。このように、誘電体基板２１とガス流隔壁２６が対向して配置されていれば、必ずしも、誘電体基板２１が直接対向して配置されなくても良い。

図１４は、第１の実施形態の変形例２に係る処理ユニットＵを表す模式図である。放電電極２２よりも下流側（図では右側）のガス流隔壁２６上に、被処理ガスの流れを下流に向けるための突起部（障害物）２７ａ、２７ｂが配置されている。その結果、被処理ガスの流れは、プラズマＰ内をより多く通過することになり、ガス分解率は向上する。

また、図１５は、第１の実施形態の変形例３に係る処理ユニットＵを表す模式図である。ガス流隔壁２６が放電電極２２よりも下流側で流路を接地電極２３側に絞るようにテーパー形状になっている。

さらに、図１６は、第１の実施形態の変形例４に係る処理ユニットＵを表す模式図である。流路が絞られたあと、その後再び開いている。その結果、間隔Ｇを狭めたことに伴う圧力損失が縮小し、流量の増大が可能となる。すなわち、ガス分解高効率と流量増大を両立できる。

一方、図１７は、第１の実施形態の変形例５に係る処理ユニットＵを表す模式図である。ここでは、対向して配置される誘電体基板２１間の流路がテーパーを有する（誘電体基板２１間の間隔Ｇ１が、プラズマ誘起流Ｆｐに沿う方向に狭くなる）。即ち、放電電極２２よりも下流側で、誘電体基板２１が肉厚のテーパー形状を有する。この結果、被処理ガスがプラズマＰ内をより流れ、ガス分解率は向上する。

さらに、図１８は、第１の実施形態の変形例６に係る処理ユニットＵを表す模式図である。ここでは、対向して配置される誘電体基板２１間の流路が狭くなった後に広くなっている。接地電極２３よりも下流側で、流路を開くことで、間隔Ｇを狭めたことに伴う圧力損失が縮小し、流量の増大が可能となる。

このように、誘電体基板２１間の間隔Ｇ１（あるいは誘電体基板２１とガス流隔壁２６の間隔Ｇ２）が一定で無い場合、誘電体基板２１間等の一部の領域で、「Ｇ１≦２．６ｈ」または「Ｇ２≦１．３＊ｈ」を満たせば良い。

（第２の実施形態）
図１９は、第２の実施形態に係る処理ユニットＵを表す模式図である。この処理ユニットＵでは、ガス分解素子２０がＹ方向およびＸ方向に複数並んで（直列、並列に）配置される。

このように、直列、並列に複数の処理ユニットＵ（ガス分解素子２０）を配置することで、分解効率、流量をより向上できる。

（第３の実施形態）
図２０は、第３の実施形態に係る処理ユニットＵを表す模式図である。この処理ユニットＵでは、スイッチ３１を用い高圧交流電圧を印加する放電電極２２を適宜に選択できる。即ち、必要に応じて、一部のみまたは全部のガス分解素子２０に交流高電圧を印加できる。急速ガス分解が必要な場合、省電力運転や静寂運転を行いたい場合、強風運転が必要な場合等、に応じて、動作させるガス分解素子２０の個数を調節できる。

一例として、ガス分解素子２０（４）と２０（５）間の対向する一対の放電電極２２の組とガス分解素子２０（３）と２０（４）間の対向する一対の放電電極２２の組の一方または双方を選択して高圧交流電圧を印加しても良い。即ち、スイッチ３１は、対向する一対の放電電極２２の組を選択して高圧交流電圧を印加する切り替え機構である。

また、複数の高電圧交流電圧電源を用いて、高圧交流電圧を印加する放電電極２２を適宜に選択しても良い。

高圧交流電圧を印加する放電電極２２の選択は、ガス分解素子２０単位、あるいは処理ユニットＵ単位としても良い。

（第４の実施形態）
図２１は、第４の実施形態に係るガス分解装置１０を表す模式図である。
ここでは、ガス導入口１１に接続されたガスポート３３から、水素を含むガス（例えば、Ｈ_２Ｏ蒸気を含むガス）が導入される。

水素を含むガスを上流側で混入させることにより、プラズマＰ中でのＯＨラジカル生成量が増加し、ガス分解率が増大する。酸素を用いた酸化剤中ではＯＨラジカルがもっとも分解能力が高いが、前述のように、ＯＨラジカルは高活性で寿命が短い。また、トルエン（Ｃ_５Ｈ_５−ＣＨ_３）には炭素が多く含まれていて、完全に分解するためにはトルエン濃度以上のＯＨが必要で、トルエン中の水素だけでは水素源が不足する。

ここで、水蒸気を導入する場合、安定したプラズマが着火しにくくなる。このため、着火前にドライガスを流して放電電極２２の表面を乾燥させて放電を開始した後に、水蒸気を含む分解対象ガスを流すことが考えられる。

さらに、ＯＨの寿命が０．０００１秒程度、Ｏの寿命が０．００１秒程度と小さい。このため、誘電体基板２１上、接地電極２３の下流端から誘電体基板２１の下流端までの長さＬ（図２参照）が０．００１ｖ以下（ただし、ｖはガス流速［ｍ／ｓ］）であることが（Ｌ≦０．００１ｖ）、高効率にガス分解するために重要となる。例えば、流速５［ｍ／ｓ］の条件においてはＬ≦５ｍｍとなる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが，これらの実施形態は，例として提示したものであり，発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は，その他の様々な形態で実施されることが可能であり，発明の要旨を逸脱しない範囲で，種々の省略，置き換え，変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は，発明の範囲や要旨に含まれるとともに，特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０ ガス分解装置
１１ ガス導入口
１２ 流路拡大部
１３ プレフィルタ
１４ ガス分解室
１５ オゾン処理室
１６ ガス流出口
２０ ガス分解素子
２１（２１ａ，２１ｂ） 誘電体基板
２２（２２ａ，２２ｂ） 放電電極
２３ 接地電極
２４ 絶縁封止層
２５（２５ａ，２５ｂ） 光触媒層
２６ ガス流隔壁
３０ 高電圧交流電源
３１ スイッチ（ＳＷ）
３３ ガスポート

Claims (14)

1. 第１の誘電体基板と、
   前記第１の誘電体基板と対向し、前記第１の誘電体基板との間隔が２ｍｍ以上８ｍｍ以下の領域を備える第２の誘電体基板と、
   前記第１、第２の誘電体基板の対向する一対の主面上それぞれに、対向して配置される第１、第２の放電電極と、
   前記第１、第２の誘電体基板の前記一対の主面と反対側の一対の主面上それぞれに配置される第１、第２の接地電極と、
   前記第１、第２の放電電極間に被処理ガスを供給するガス流路と、
   前記第１、第２の放電電極と前記第１、第２の接地電極との間それぞれに交流電圧を印加することで、前記被処理ガスを放電させ、第１、第２のプラズマ誘起流を生成する交流電源と、
   を具備するガス処理装置。
2. 前記領域での前記間隔が、２ｍｍ以上６ｍｍ以下である
   請求項１記載のガス処理装置。
3. 前記間隔が、前記第１、第２のプラズマ誘起流に沿う方向に狭くなる、
   請求項１または２に記載のガス処理装置。
4. 前記第１の接地電極の下流側端から前記第１の誘電体基板の下流側端までの距離Ｌが、０．００１［ｓｅｃ］と前記被処理ガスの流速ｖ［ｍ／ｓｅｃ］の積（０．００１ｖ）以下である、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガス処理装置。
5. 前記第１、第２の誘電体基板の対向する一対の主面上それぞれに配置される光触媒層
   をさらに具備する請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガス処理装置。
6. 前記被処理ガスが、炭素または窒素の少なくともいずれかを含む分解対象ガスと、大気と、を含む
   請求項１乃至５のいずれか１項に記載のガス処理装置。
7. 前記被処理ガスに水素元素を含むガスを添加する添加部
   をさらに具備する請求項６記載のガス処理装置。
8. 前記水素元素を含むガスが水蒸気である
   請求項７記載のガス処理装置。
9. 前記第２の接地電極上に配置される第３の誘電体基板と、
   前記第３の誘電体基板に対向して配置されるガス流隔壁と、
   前記第３の誘電体基板上に配置される第３の放電電極と、をさらに具備し、
   前記交流電源が、前記第３の放電電極と前記第２の接地電極の間に交流電圧を印加することで、前記被処理ガスを放電させ、第３のプラズマ誘起流を生成し、
   前記第３の放電電極の下流の前記第３の誘電体基板と前記ガス流隔壁間に配置され、前記第３の誘電体基板と前記ガス流隔壁の第２の間隔が、１ｍｍ以上４ｍｍ以下である第２の領域を有する、
   請求項１乃至８のいずれか１項に記載のガス処理装置。
10. 前記第２の領域での前記第２の間隔が、１ｍｍ以上３ｍｍ以下である
    請求項９に記載のガス処理装置。
11. 前記ガス流隔壁が、前記第３の誘電体基板に向かう突起部を有する、
    請求項９または１０に記載のガス処理装置。
12. 前記第２の間隔が、前記第３のプラズマ誘起流に沿う方向に狭くなる、
    請求項９乃至１１のいずれか１項に記載のガス処理装置。
13. 前記第１の接地電極下に配置される第４の誘電体基板と、
    前記第４の誘電体基板と対向して配置される第５の誘電体基板と、
    前記第４、第５の誘電体基板の対向する一対の主面上それぞれに配置される第４、第５の放電電極と、
    前記第５の誘電体基板の前記主面と反対側の主面に配置される第３の接地電極と、を具備し、
    前記交流電源が、前記第４の放電電極と前記第１の接地電極の間および前記第５の放電電極と前記第３の接地電極の間に交流電圧を印加することで、前記被処理ガスを放電させ、第４，第５のプラズマ誘起流を生成し、
    前記第４、第５の誘電体基板の間隔が、２ｍｍ以上８ｍｍ以下である、
    請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のガス処理装置。
14. 前記第１、第２の放電電極の組と、前記第４、第５の放電電極の組の一方または双方を選択して高圧交流電圧を印加する切り替え機構
    をさらに具備する請求項１３記載のガス処理装置。

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