JP6581291B2 - イオン比を調整するためのプラズマ発生器および方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ発生器、およびプラズマ発生器で生成されるプラズマにおける負イオンに対する正イオンの比を調整するための方法に関する。負イオンに対する正イオンの比は、ここではプラズマにおける正イオンの総数に対する負イオンの総数の比を意味する。ここではプラズマ発生器のプロセスガス出口に出射されるプラズマビームに着目する。

圧電トランスでは、その動作原理に基づき、正弦波形状の出力電圧を用いてプラズマが生成される。ここでこの圧電トランスで生成された出力電圧の立上りスロープおよび立下りスロープの急峻さは、等しくなっている。プロセスガスにおける正および負のイオンの生成は、ほぼこのスロープの急峻さに依存している。この圧電トランスの動作原理のため、これらのスロープの急峻さは異なるように形成することはできない。

以上よりこの圧電トランスによって生成されるプラズマにおける負イオンに対する正イオンの比は、プロセスガスの所与の組成に対して固定される。

しかしながら大気圧非熱プラズマには多くのアプリケーションがあり、これらにおいては負イオンに対する正イオンの比を所定に調整できることが有利となっている。これらのアプリケーションには、大気圧非熱プラズマを水の浄化に利用することが挙げられる。

したがって本発明の課題は、圧電トランスを用いたプラズマの生成の際に、負イオンに対する正イオンの比を所望に調整できるようにすることである。

これらの課題は請求項１に記載のプラズマ発生器によって解決される。さらに上記の課題は第２の独立請求項に記載の方法によって解決される。

１つのプラズマ発生器が提案され、このプラズマ発生器は、プロセスガスのイオン化に適している１つの圧電トランス、１つのイオン分離電極、および１つの制御回路を備え、この制御回路はこのイオン分離電極に電位を印加するのに適している。

上記の圧電トランスは、具体的にはローゼン型のプラズマ発生器であってよい。この圧電トランスはプラズマを生成することができ、プロセスガスをイオン化する。このプロセスガスは、たとえば空気または希ガスであってよい。このプロセスガスは、この圧電トランスの出力側に生成される高電圧によってイオン化される。この際このトランスの周囲は対電極として機能する。

上記のイオン分離電極は、これが上記のトランスに対する対電極として見做され得ない程度に離れて配設されている。このイオン分離電極に電位が印加されると、この電極は逆の電荷を有するイオンを引き付け、同じ極性に帯電されたイオンを遠ざける。ここでこのイオン分離電極によって引き付けられたイオンの一部は、強く曲げられて、このイオン分離電極に衝突するか、または少なくともこのプラズマ発生器の出口に到達せず、これよりこのプラズマ発生器から出射されるプラズマビームには含まれない。以上によりこのプラズマにおけるこの電荷のイオンの部分は低減することができる。

上記の制御回路を介して、上記のイオン分離電極に印加される電位を調整することができる。これにより、正のイオンおよび負のイオンの比を常に１つの所望のものに調整することが可能となる。

上記のイオン分離電極の利用によって、こうして、１つの圧電トランスを用いたプラズマ生成の際にも、負イオンに対する正イオンの比を所望のものに調整することができる。ここでこの負イオンに対する正イオンの比は、最初は上記のプロセスガスの組成によって、そして上記の圧電トランスの動作によって決まるものである。このようにして他のプラズマ発生の方法に対して、圧電トランスの利点を有効に利用することができ、そして同時に所望の正イオンと負イオンの比を有するプラズマを生成することができる。特にこの圧電トランスの高い効率は、圧電トランスを用いたプラズマ生成の１つの主要な利点である。

さらに、このプラズマ発生器は、正イオンと負イオンの比を検知するための手段を備えてよい、上記の制御回路は、この比を検知するための手段の測定値に依存して、上記のイオン分離電極に印加されている電位を再調整することができるであろう。

上記のプラズマ発生器は、１つのプロセスガスによって貫流されるために適しており、ここでこのプロセスガスは、上記の圧電トランスによってイオン化され、そして続いて上記のイオン分離電極を通って導かれる。ここでこのイオン分離電極において、このプロセスガスにおける負イオンに対する正イオンの比の変更を行うことができる。

具体的には、上記のイオン分離電極に印加される電位は、このプラズマ発生器によって生成されるプラズマにおける正イオンと負イオンの比を決めることができる。

上記のプラズマ発生器は、プロセスガス入口とプロセスガス出口とを接続する１つの導管を備えてよく、ここでこの導管には、上記の圧電トランスおよび上記のイオン分離電極が配設されており、ここでこのイオン分離電極は、この圧電トランスとこのプロセスガス出口との間に配設されている。この導管は、たとえばこのプラズマ発生器のハウジングから形成されてよい。

上記のイオン分離電極に印加されている電位が変更可能となるように、上記の制御回路は、調整可能とすることができる。このようにして、生成されたプラズマにおける負イオンに対する正イオンのどのような任意の比も設定することができる。

上記の制御回路は、出力交流電圧を生成するために適合した１つのトランス、およびこの出力交流電圧を整流し平滑するための１つの回路を備え、ここでこの出力交流電圧の整流および平滑のための回路は、上記のイオン分離電極に接続されている。これに応じてこの回路は、上記のイオン分離電極に１つの電位を印加することができる。ここでこの電位は、１つの準静的な電位であってよい。このトランスは、具体的に１つの第２の圧電トランスであってよい。

上記のイオン分離電極は、格子形状であってよく、または１つの金属管を備えてよい。 これら２つの形状は、上記のイオン分離電極を通って導かれるプラズマビームからイオンをフィルタ除去するためにとりわけ適している。さらにこのイオン分離電極のそれぞれの形状によって、このプラズマビームの形状が所望のものとなるように影響を与えることができる。

上記の圧電トランスは、大気圧非熱プラズマの生成に適したものとすることができる。

上記の制御回路は、少なくとも１つのダイオードを備えてよい。この制御回路は、これらのダイオードに印加される電位を極反転するように構成されていてよい。これらのダイオードに印加される電位の反転によって、生成される正イオンと生成される負イオンとの比を反転することができる。

上記の圧電トランスは、１つの端面を備えてよく、この端面に生成される高電圧によってプロセスガスを直接イオン化するように構成されている。この端面は、上記の圧電トランスの出力側の前面であってよい。

具体的には、上記の圧電トランスは、１つの入力側と１つの出力側を備えてよく、当該出力側は、当該入力側に直接繋がっている。この入力側は、１つの多層構造を備えてよく、この多層構造では圧電層（複数）およびこれらの間に配設された第１および第２の内部電極（複数）が上下に重なって積層されている。この出力側は、１つの圧電材料および１つのモノリシックな構造を備えてよい。

この圧電トランスの動作の際には、上記の入力側の上記の第１および第２の内部電極に交流電圧を印加されてよく、この交流電圧はこれらの内部電極間に積層方向に圧電振動を励起する。以上により長手方向に進行する波が形成される。このようにして出力側３の端面に高電圧を生成することができる。この高電圧を用いて、プロセスガス、たとえば空気をイオン化することができ、そしてこうして大気圧の非熱プラズマを発生することができる。

このプロセスガスが上記の端面で自動的にイオン化される場合、このイオン化は「直接」であると呼ばれる。これに対して、間接的なイオン化があり、この間接的なイオン化では、上記の端面の高電圧が取り出され、そしてもう１つの部材、たとえば１つの電極に印加され、この部材の周囲で上記のプロセスガスがイオン化する。この間接的なイオン化は、ここでエネルギー損失を極小化することができ、そしてプラズマ発生器のコンパクトな構造を可能とするという利点を備える。たとえばこのプラズマ発生器は、１つの可搬型の携帯装置に組み込むことができる。

本発明のもう１つの態様は、プラズマ発生器によって生成されるプラズマにおける負イオンに対する正イオンの比を調整するための方法に関する。このプラズマ発生器は、具体的には上述のプラズマ発生器であってよい。これに応じて、上記のプラズマ発生器に関連して開示されたいかなる構造的または機能的特徴も本方法に当てはまるものである。これに対応して本方法に関連して開示されるいかなる特徴も上記のプラズマ発生器に当てはまるものである。

１つの圧電トランス、１つのイオン分離電極、および１つの制御回路を備える、１つのプラズマ発生器用の方法が提示される。本方法は、以下の処理ステップを備える。
−１つのプロセスガスを用いて上記のプラズマ発生器を貫流するステップであって、このプロセスガスがこの圧電トランスによってイオン化され、そして続いて上記のイオン分離電極を通って導かれるステップ。
−負イオンに対する正イオンの比を調整するために、上記の制御回路によって上記のイオン分離電極に印加される電位を調整するステップ。

上述したように、この方法は、１つのプラズマを発生することができ、このプラズマでは、負イオンに対する正イオンの比が所望に調整され、ここで圧電トランスの利点がこのプラズマ発生の際に有効に利用される。この利点には具体的にはこの圧電トランスの高い効率が挙げられる。

上記の制御回路は、１つのトランスを備えてよく、このトランスには、入力交流電圧が印加されて、出力交流電圧が発生される。上記の方法では、上記の制御回路によって上記のイオン分離電極に印加される電位を調整する上記のステップは、上記のトランスに印加される入力電圧を変更することによって実行される。

上記の制御回路は、少なくとも１つのダイオードを備えてよい。上記の方法は、以下のステップを備えてよい。
−上記のイオン分離電極に印加される電位の極反転のため、そして正イオンと負イオンの比を逆転するために、ダイオードを逆転するステップ。

以下では、図を参照して、本発明を詳細に説明する。
第１の実施形態例のプラズマ発生器を示す。 第２の実施形態例のプラズマ発生器を示す。

図１は、プラズマ発生器１の１つの第１の実施形態例を示し、この実施形態例では、生成されたプラズマにおける負イオンに対する正イオンの比を調整することが可能となっている。このプラズマ発生器１は、１つの圧電トランス２を備える。この圧電トランス２は、プロセスガスをイオン化し、そしてこれによってプラズマを生成するのに適している。

この圧電トランス２は、ローゼン型の１つの圧電トランスである。この圧電トランス２は、圧電直接放電（ＰＤＤ，Piezoelectric Direct Discharge）を用いたプラズマを生成するために適している。

この圧電トランス２は、１つの入力側および１つの出力側を備える。この入力側に、この圧電トランス２は１つの多層構造を備え、この多層構造では圧電層（複数）とこれらの間に配設された第１および第２の内部電極（複数）が上下に重なって積層されている。これらの圧電層は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）のセラミックを備える。この入力側では、これらの圧電層が積層方向に分極されている。上記の内部電極は銅から成っている。

ここで積層方向において、２つの圧電層の間にはそれぞれ、交互に１つの第１の内部電極および１つの第２の内部電極が配設されている。これらの第１の内部電極は、この圧電トランス２の第１の外面まで引き出されており、そして第２の外面から離間している。第２の内部電極（複数）は、第１の外面に対して離間しており、そして第２の外面まで引き出されている。さらにこの第１の外面およびこの第２の外面上には、それぞれ外部電極が配設されており、これらの外部電極は、それぞれの外面まで引き出された内部電極（複数）と電気的に接続されている。

出力側には、この圧電トランス２は１つのモノリシックな構造を備える。この出力側は、入力側と同じ圧電材料を備える。この圧電トランス２の出力側は、長手方向で分極されている。

この圧電トランス２の動作の際には、入力側の外部電極に交流電圧が印加され、この交流電圧は上記の内部電極間に積層方向に圧電振動を励起する。以上により長手方向に進行する波が形成される。このようにして出力側の端面に高電圧を生成することができる。この高電圧を用いて、プロセスガス、たとえば空気をイオン化することができ、そしてこうして大気圧の非熱プラズマを発生することができる。

圧電トランス２の動作の際には、このトランスの周囲は、対電極として作用する。これはいわゆる浮遊電極である。具体的には、この圧電トランスの出力側の縁部および隅部には大きな電場勾配が発生し、この電場勾配が上記のプロセスガスをイオン化する。この大きな電場勾配は、上記の出力側に、基準電位に対して大きな電位が印加されることによって生成される。この基準電位はたとえばグラウンド電位であってよい。

圧電トランス２は、第１の制御回路３と回路接続されている。この第１の制御回路３は、圧電トランス２の外部電極（複数）に上記の入力電圧を印加するように構成されている。この入力電圧は、１つの交流電圧である。この入力電圧の周波数は、好ましくは圧電素子２の共振周波数に相当している。この共振周波数は、圧電トランス２の幾何形状によって決定される。この共振周波数は１０〜１０００ｋＨｚとなり得る。好ましくは、この共振周波数は２０〜１００ｋＨｚとなっていてよく、たとえば５０ｋＨｚとなっていてよい。

さらにプラズマ発生器１は、１つの導管４を備え、この導管はプロセスガス入口５をプロセスガス出口６に接続している。プラズマ発生器１の動作の際には、プロセスガスがこの導管４を通って流れる。このプロセスガス流は、図１において、プロセスガス入口５およびプロセスガス出口６におけるそれぞれの矢印で示されている。このプロセスガスは、たとえば空気または希ガスであってよい。

導管４には、プロセスガス入口５に、周囲の空気を吸い込む１つのファンが設けられている。代替として、プロセスガス入口５は、１つの圧縮空気容器と接続されてよい。プロセスガス出口６には１つのノズルが配設されていてよく、このノズルは、生成されたプラズマを所望の形状のプラズマビームで出射することを可能とする。

圧電トランス２は導管４内に配設されており、こうして圧電トランス１の動作の際に上記のプロセスガスがこの圧電トランスの回りを流れる。この際圧電トランス２の出力側で、このプロセスガスがイオン化される。同様にこのイオン化も図１において矢印によって示されている。上記のプロセスガスの組成によって、この圧電トランス２の出力側で生成されるプラズマにおける、負イオンに対する正イオンの比は所定のものとなる。

本発明によるプラズマ発生器１は、しかしながらここで負イオンに対する正イオンのこの所定の比を変更することを可能とする。この目的のため、このプラズマ発生器１は、上記の導管内に配設されている１つのイオン分離電極７を備える。このイオン分離電極７は、圧電トランス２とプロセスガス出口６との間に配設されている。こうしてこの圧電トランス２によってイオン化されたプロセスガスは、このイオン分離電極７の近傍を通過する。この際このイオン分離電極７は、この電極がトランスの対電極として機能することがない程度に、この圧電トランス２から離間して配設されている。

さらにプラズマ発生器１は、第２の制御回路８を備える。この第２の制御回路８は、イオン分離電極７に電位を印加することを可能とする。

図１に示す実施形態例においては、第２の制御回路８は、基準電位、たとえばグラウンド電位に対して１つの正の電位をイオン分離電極７に印加するように構成されている。こうしてこのイオン分離電極７は、イオン化されたプロセスガスの負イオンを引き付け、そしてこのイオン化されたプロセスガスの正イオンを跳ねかえす。この際この負イオンの一部は、イオン分離電極７に引き付けられて、このイオン分離電極に衝突し、これにより、プロセスガス出口６に到達しないようになる。このようにして、プラズマ発生器１から出射されるプラズマにおける負イオンの割合を低減することができ、そしてこれにより負イオンに対する正イオンの比を変更することができる。

このようにプラズマ発生器１は、１つの三極管に対応する原理を利用しており、ここで上記のガス流はイオン輸送の役割を果たし、三極管のようにアノードとカソードとの間には電圧は印加されない。

しかしながらプロセスガスにおける全ての負イオンが、このイオン分離電極７によってこのように強く引き付けられて、プロセスガス出口６に到達しないというものではない。むしろ負イオンの一部のみが、このイオン分離電極７によって強く曲げられるので、プロセスガス出口６に到達することがないものである。こうして部分的な分離が起こる。

ここでイオン分離電極７に印加されている電位が高くまたは低くされると、これによりプロセスガス流からフィルタ除去される負イオンの割合が増大あるいは減少する。

第２の制御回路８は、１つのトランス９を備える。このトランス９は、たとえば１つの第２の圧電トランスであってよい。この第２の制御回路８は、このトランス９の入力側に１つの入力交流電圧を印加する。このトランス９の出力側で、出力交流電圧を取り出すことができる。ここでこの出力交流電圧は、高電圧である。この第２の制御回路８は、このトランス９に印加される入力電圧を調整可能とするように構成されている。この入力電圧の調整によって、上記のイオン分離電極７に印加される電位を変化させることができる。

トランス９の出力は、出力交流電圧の整流および平滑のための回路１０に接続されている。この回路１０は、このトランス９によって生成される交流電圧を１つの準静的な高電圧に変換する。整流および平滑のためのこの回路１０は、２つのダイオード１１および１つのコンデンサ１２を備える。これら２つのダイオード１１によって、トランス９によって生成される高電圧が整流される。コンデンサ１２を用いてこの電圧は平滑される。図１に示す実施形態例においては、このようにしてグラウンドに対して正の１つの電位が発生され、この電位がイオン分離電極７に印加される。

さらに第２の制御回路８は、ダイオード１１を逆転することができるように構成されており、こうしてこの場合に１つの負電位が生成され、この負電位がイオン分離電極７に印加される。この場合、正イオンがイオン分離電極７によって引き付けられる。こうして上記のプラズマにおける正イオンの割合が低減され、そしてまたこのようにして負イオンに対する正イオンの比を所望に調整することができる。

さらに第２の制御回路８は、負電位を生成するための構成と正電位を生成するための構成との間で切り替えることを可能とする切り替え素子（複数）を備える。これらの切り替え素子は、２つの高電圧リードリレーであってよい。

図１に示されている第１の実施形態例では、イオン分離電極７は格子形状となっている。ここでこのイオン分離電極は、導管４の直径よりほんの僅かに小さい直径を備える。こうしてイオン化されたプロセスガスの殆ど全部がこの格子における開口部を通過する。このようにしてイオンの効果的な分離を行うことができる。

図２は、プラズマ発生器１の１つの第２の実施形態例を示す。図２に示す実施形態例は、イオン分離電極７の構成において、図１に示す実施形態例とは異なっている。ここではこのイオン分離電極７は、１つの金属管で形成されている。この金属管は導管４内に同心円状に配設されている。

イオン分離電極７に、たとえば正電位を印加すると、これによりこの金属管内において、負イオンが径方向に外側に向かって曲げられる。正イオンは、このイオン分離電極７の中央に集中される。このようにして、生成されたプラズマビームにおけるイオン分布を調整することができ、負イオンのかなりの部分が強く曲げられ、プロセスガス出口６に到達しないので、正イオンの割合を大きくすることができる。

イオン分離電極７に印加される電位が極反転されると、これにより同様にプラズマビーム内に負イオンが集中し、そして正イオンは径方向で外向きに曲げられる。

第２の制御回路によって、イオン分離電極７に印加される電位を所望に調整することができ、そしてこうして負イオンに対する正イオンの比を調整することができる。

１ ： プラズマ発生器
２ ： 圧電トランス
３ ： 第１の制御回路
４ ： 導管
５ ： プロセスガス入口
６ ： プロセスガス出口
７ ： イオン分離電極
８ ： 第２の制御回路
９ ： 圧電トランス
１０ ： 整流および平滑のための回路
１１ ： ダイオード
１２ ： コンデンサ

Claims (11)

1. プラズマ発生器（１）であって、
   プロセスガスのイオン化に適した１つの圧電トランス（２）と、
   １つのイオン分離電極（７）と、
   前記イオン分離電極（７）に１つの電位を印加するのに適した１つの制御回路（８）と、を備え、
   前記プラズマ発生器（１）は、１つのプロセスガスによって貫流されるために適しており、当該プロセスガスは、前記圧電トランス（２）によってイオン化され、そして続いて前記イオン分離電極（７）を通って導かれ、
   前記圧電トランス（２）は、１つの端面を備え、当該端面に生成される高電圧によってプロセスガスを直接イオン化するように構成されている、
   ことを特徴とするプラズマ発生器。
2. 前記イオン分離電極（７）に印加される電位は、前記プラズマ発生器（１）によって生成されるプラズマにおける正イオンと負イオンの比を決定することを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ発生器。
3. 請求項１、または２に記載のプラズマ発生器において、
   前記プラズマ発生器は、プロセスガス入口（５）とプロセスガス出口（６）とを接続する１つの導管（４）を備え、
   前記導管（４）には、前記圧電トランス（２）および前記イオン分離電極（７）が配設されており、
   前記イオン分離電極（７）は、前記圧電トランス（２）と前記プロセスガス出口（６）との間に配設されている、
   ことを特徴とするプラズマ発生器。
4. 前記イオン分離電極（７）に印加されている電位が変更可能となるように、前記制御回路（８）は、調整可能となっていることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のプラズマ発生器。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のプラズマ発生器において、
   前記制御回路（８）は、出力交流電圧を生成するために適合した１つのトランス（９）、および当該出力交流電圧を整流し平滑するための１つの回路（１０）を備え、
   前記出力交流電圧の整流および平滑のための前記回路（１０）は、前記イオン分離電極（７）に接続されている、
   ことを特徴とするプラズマ発生器。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のプラズマ発生器において、
   前記イオン分離電極（７）は、格子形状であるか、または、
   前記イオン分離電極（７）は、１つの金属管を備える、
   ことを特徴とするプラズマ発生器。
7. 前記圧電トランス（２）は、大気圧非熱プラズマの生成に適していることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のプラズマ発生器。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載のプラズマ発生器において、
   前記制御回路（８）は、少なくとも１つのダイオード（１１）を備え、
   前記制御回路（８）は、前記ダイオード（１１）に印加される電位を極反転するように構成されている、
   ことを特徴とするプラズマ発生器。
9. プラズマ発生器（１）によって生成されるプラズマにおける負イオンに対する正イオンの比を調整するための方法であって、
   前記プラズマ発生器（１）は、１つの圧電トランス（２）、１つのイオン分離電極（７）、および１つの制御回路（８）を備え、
   前記プラズマ発生器（１）は、１つのプロセスガスによって貫流されるために適しており、当該プロセスガスは、前記圧電トランス（２）によってイオン化され、そして続いて前記イオン分離電極（７）を通って導かれ、
   前記圧電トランス（２）は、１つの端面を備え、当該端面に生成される高電圧によってプロセスガスを直接イオン化するように構成されており、
   前記方法は、以下のステップ、
   １つのプロセスガスを用いて前記プラズマ発生器（１）を貫流するステップであって、当該プロセスガスが前記圧電トランス（２）によってイオン化され、そして続いて前記イオン分離電極（７）を通って導かれるステップと、
   負イオンに対する正イオンの比を調整するために、前記制御回路（８）によって前記イオン分離電極（７）に印加される電位を調整するステップと、
   を備えることを特徴とする方法。
10. 請求項９に記載の方法において、
    前記制御回路（８）は、１つのトランス（９）を備え、
    前記トランス（９）には、入力交流電圧が印加され、そして前記トランス（９）は、出力交流電圧が生成し、
    前記制御回路（８）によって前記イオン分離電極（７）に印加される電位を調整する前記ステップで、前記トランス（９）に印加される入力電圧が変更される、
    ことを特徴とする方法。
11. 請求項９または１０に記載の方法において、
    前記制御回路（８）は、少なくとも１つのダイオードを備え、
    前記方法は、
    前記イオン分離電極（７）に印加される電位の極反転のため、そして正イオンと負イオンの比を逆転するために、前記ダイオード（１１）を逆転するステップを備える、
    ことを特徴とする方法。

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