JP6970407B2 - プラズマ放出装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ放出装置に関し、特に大気圧下で生じたプラズマ励起ガスを大気圧中に放出するプラズマ放出装置に関する。

プラズマ励起ガス（プラズマ状態に励起された放電ガス）は、基材表面の改質（洗浄）、医療用等に広く用いられている。

このようなプラズマ励起ガスを放出する装置として、特許文献１は、プラズマ励起ガスの到達距離を伸ばす目的で、ノズルから放出されるプラズマ励起ガス流（放電ガス流）の外周を、同プラズマ励起ガス流より高圧とした不活性ガス（シースガス、ガスカーテン）で取り囲みながら、放出させることを提案している。プラズマ励起ガス流を取り囲むシースガス流圧（ガスカーテンの圧力）がプラズマ励起ガス流圧より高いことから、プラズマ励起ガスを外気から確実に遮断することで到達距離を長くできるとしている。

特開２００９−１８２６０号公報

特許文献１は、放出されたプラズマ励起ガス流の外囲をより高圧なシースガス流で囲い込むことにより到達距離を伸ばすという技術思想に基づいている。しかし、本発明者らによれば、特許文献１の装置では、プラズマ励起ガス流とシースガス流との境界面（界面、接触面）が両者の圧力差等によって乱流となることで、プラズマ励起ガス流が乱流となるため、プラズマ励起ガス流の到達距離を十分に伸ばすことができない。そのため、特許文献１の装置において、よりプラズマ励起ガス流の到達距離を伸ばすには、プラズマ励起ガスの流量を増加させなければならず、効率が悪い。また、プラズマ励起ガス流とシースガス流との境界面が乱流となるため、プラズマ励起ガス流とシースガス流の接触（反応）で生ずる活性種を安定して生じさせることも困難であった。

本発明は、特許文献１とは異なる技術思想により、放出したプラズマ励起ガス流の到達距離を効率よく伸ばす（プラズマ伸長効果を得る）ことができるプラズマ放出装置を得ることを目的とする。

本発明者らは、プラズマ励起ガスを放出するプラズマ放出装置において、放出されたプラズマ励起ガス流の到達距離を長くするのに重要な要素は、プラズマ励起ガス流とシースガス流の放出時の圧力差ではなく、速度（差）であることを見出し、放出されたプラズマ励起ガス流（放電ガス流）とその外層部分を覆うように流れるシースガス流の流速を制御することによってプラズマ励起ガス流を層流状態とすれば、プラズマ励起ガス流の到達距離を効率よく長くする（プラズマ伸長効果を得る）ことができるという着眼に基づいてなされたものである。

本発明は、大気圧中に放電ガスをプラズマ状態に励起させたプラズマ励起ガス流を放出するプラズマ放出装置において、前記プラズマ励起ガス流を囲むように放出するシースガス流によって、前記プラズマ励起ガス流をその径方向の中心部と周辺部が混ざり合うことなく軸線方向に沿って移動する層流状態とし、前記プラズマ励起ガス流と前記シースガス流とは、境界面の流速が等しいことを特徴とする。

本発明のプラズマ放出装置において、前記シースガス流が放出された後の流速は、前記プラズマ励起ガス流が少なくとも放出された後に層流状態となる流速である。

前記プラズマ励起ガス流と前記シースガス流とは、放出された後の流速が等しい。

前記プラズマ励起ガス流が放出されるプラズマ励起ガス放出口と、該プラズマ励起ガス放出口の外周を取り囲むように、前記シースガス流が放出されるシースガス放出口とが設けられる。

前記放電ガスは、ヘリウムまたはアルゴンが好ましい。

前記プラズマ励起ガス流の流量は、数ｓｌｍ（ｓｔａｎｄａｒｄ ｌｉｔｅｒ ／ｍｉｎ）以下であり、このときの前記シースガス流の流量は、前記プラズマ励起ガス流が層流状態となるように制御される。

本発明によるプラズマ放出装置は、放出されたプラズマ励起ガス流を取り囲むシースガス流によってプラズマ励起ガス流を層流状態とすることで、プラズマ励起ガス流の流量を増加させずにプラズマ励起ガス流の到達距離を伸ばすことができる。このため、特に医療用プラズマ放出装置のようなプラズマ励起ガス流の流量が微量（数ｓｌｍ以下）な装置において、プラズマ励起ガス流の到達距離を好適に伸ばすことができる。また、プラズマ励起ガス流とシースガス流の接触により生成される活性種を安定して供給することができる。

本発明によるプラズマ放出装置の一実施形態を模式的に示す縦断面図である。 図１のII-II線に沿う断面図である。 図１、図２のプラズマ放出装置による円柱状プラズマ励起ガス流と環状（管状）シースガス流の境界面（界面、層流）を模式的に示す図である。

図１ないし図３は、本発明によるプラズマ放出装置として、大気圧下で生じたプラズマ励起ガスを放出するプラズマ放出装置１００の一実施形態を模式的に示している。プラズマ放出装置１００は、小径の内管（内側管）１１と、内管１１と同軸で大径の外管（外側管）１２とを備える二重管構造の放出ノズル１０を備えている。内管１１の内周部分によって円柱状のプラズマ励起ガス空間（放電ガス空間）１１ｓが形成され、内管１１と外管１２の間に円筒状（管状）のシースガス空間１２ｓが形成されている。図１のプラズマ励起ガス空間１１ｓとシースガス空間１２ｓの放出ノズル１０の図１の下方の放出端は、プラズマ励起ガス放出口１１ａとシースガス放出口１２ａとして開放されている。

放出ノズル１０の図１の上方には、放電ガス供給部１３とシースガス供給部１５が備えられている。放電ガス供給部１３は、ヘリウム（Ｈｅ）やアルゴン（Ａｒ）等の希ガスを放電ガス２１ａとして内管１１内に供給するもので、内管１１内に供給された放電ガス２１ａは、プラズマ発生部１４において励起状態（プラズマ状態に励起された放電ガス、プラズマ励起ガス）となる。プラズマ発生部１４は、例えば、内管１１の外周部分に設置した円筒状の電極１４ａ（図２）を備え、電極１４ａには、電極１４ａに電圧を印加する高圧電源１４ｂが電気的に接続されている。プラズマ発生部１４の具体的構成は各種周知であり、その設置位置にも自由度がある。

シースガス供給部１５は、例えば、空気や、窒素（Ｎ_２）のような不活性ガスをシースガスとして外管１２内（シースガス空間１２ｓ）に供給するものである。内管１１内（プラズマ励起ガス空間１１ｓ）と外管１２内（シースガス空間１２ｓ）を流れるガス流速（流量、圧力）はそれぞれ個別に制御される。その具体的な制御態様は問わない（各種可能である）。

以上のプラズマ放出装置１００は、放電ガス供給部１３からの放電ガス２１ａ（例えばヘリウム）を放出ノズル１０の内管１１内（プラズマ励起ガス空間１１ｓ）に供給し、放電ガス２１ａをプラズマ発生部１４でプラズマ励起ガス２１ｂにし、このプラズマ励起ガス２１ｂをプラズマ励起ガス空間１１ｓの下端のプラズマ励起ガス放出口１１ａからプラズマ励起ガス流２１ｃとして放出する。併せて、シースガス供給部１５からのシースガス２２ａ（例えば窒素）を外管１２と内管１１の間のシースガス空間１２ｓに供給し、シースガス空間１２ｓの下端のシースガス放出口１２ａから円筒状のシースガス流２２ｂとして放出する。この際、放出された後のプラズマ励起ガス流２１ｃと、同プラズマ励起ガス流２１ｃを囲むように放出された後の円筒状のシースガス流２２ｂとが可及的に速度に差が無いように放出することで、放出された後のプラズマ励起ガス流２１ｃは「層流」状態となる。ここで、「層流」とは、理想的には円柱状に放出された後のプラズマ励起ガス流２１ｃの速度が径方向において一様であり、円柱状に放出された後のプラズマ励起ガス流２１ｃの中心部の速度と、周辺部の速度に差がないことを言う。なお、現実には放出された後のプラズマ励起ガス流２１ｃの速度は径方向によって異なるため、放出された後のプラズマ励起ガス流２１ｃの径方向には速度分布が発生してもよく、中心部のプラズマ励起ガス流２１ｃと周辺部のプラズマ励起ガス流２１ｃとが混ざり合うことなく、軸線方向に沿って併走するように移動することを言う。

プラズマ励起ガス放出口１１ａから放出された後のプラズマ励起ガス流２１ｃ内の流速及びシースガス放出口１２ａから放出された後のシースガス流２２ｂ内の流速も、厳密には同一ではない（径方向に速度分布が発生する）が、放出後のプラズマ励起ガス流２１ｃとシースガス流２２ｂとの境界面２３の流速（境界面２３付近のプラズマ励起ガス流２１ｃとシースガス流２２ｂの流速）が同一であればよい。放出後のプラズマ励起ガス流２１ｃとシースガス流２２ｂとの境界面２３の流速を同一とすると、放出後のプラズマ励起ガス流２１ｃをより確実に層流とすることができ、プラズマ励起ガス流２１ｃの到達距離を長くすることができる。また、シースガス流２２ｂによってプラズマ励起ガス流２１ｃを層流状態にすることで、プラズマ励起ガス流２１ｃとシースガス流２２ｂの境界面２３に乱流が生じることが抑制され、境界面２３に活性種を安定して生成することができる。プラズマ励起ガス流２１ｃとシースガス流２２ｂとの境界面２３の速度が「同一」とは、厳密に同一である必要はない。

図３は、プラズマ励起ガス空間１１ｓとシースガス空間１２ｓから放出されたプラズマ励起ガス流２１ｃとシースガス流２２ｂ、及びこれらの境界面２３を模式的に示している。

プラズマ励起ガス流２１ｃを層流状態とするには、プラズマ励起ガス流２１ｃのシュリーレン像によってプラズマ励起ガス流２１ｃの状態を確認しながらプラズマ励起ガス流２１ｃが層流状態と成るように、つまりプラズマ励起ガス流２１ｃとシースガス流２２ｂとの境界面２３の速度が「同一」になるように、放電ガス２１ａの流量（供給圧力または供給量）に対するシースガス２２ａの流量（供給圧力または供給量）を調整する方法がある。

次に具体的な実施形態を説明する。
・実施例１
放電ガス供給部１３から内管１１内（プラズマ励起ガス空間１１ｓ）に放電ガス２１ａとして流量が５００ｓｃｃｍ(ｓｔａｎｄａｒｄ ｃｃ／ｍｉｎ)（０．５ｓｌｍ）のヘリウムを供給し、シースガス供給部１５から外管１２内（シースガス空間１２ｓ）にシースガス２２ａとして流量が１４２８ｓｃｃｍの窒素を供給した。このときのプラズマ励起ガス流２１ｃのシュリーレン像によって、プラズマ励起ガス放出口１１ａより放出されたプラズマ励起ガス流２１ｃが層流状態であること（プラズマ励起ガス流２１ｃとシースガス流２２ｂとの境界面２３の速度が「同一」であること）を確認でき、目視によるプラズマ励起ガス流２１ｃの発光部分の長さｄ（到達距離ｄ）が、シースガス２２ａを全く使用しなかった場合の４．０ｍｍから２０．５ｍｍまで伸びることがわかった。これにより、この実施例１では、プラズマ励起ガスの到達距離を伸ばすことができた。ただし、内管１１の内径φ_１：３．６ｍｍ、外径φ_２：４．０ｍｍ、外管１２の内径φ_３：８．０ｍｍであり、プラズマ発生部１４の電極１４ａに印加されたpeak to peak電圧は１０ｋＶ（周波数３０ｋＨｚ）である。

・実施例２
放電ガス供給部１３から内管１１内（プラズマ励起ガス空間１１ｓ）に放電ガス２１ａとして流量が５００ｓｃｃｍ（０．５ｓｌｍ）のヘリウムを供給し、シースガス供給部１５から外管１２内（シースガス空間１２ｓ）にシースガス２２ａとして流量が１４２８ｓｃｃｍの空気を供給した。このときのプラズマ励起ガス流２１ｃのシュリーレン像によって、プラズマ励起ガス放出口１１ａより放出されたプラズマ励起ガス流２１ｃが層流状態であること（プラズマ励起ガス流２１ｃとシースガス流２２ｂとの境界面２３の速度が「同一」であること）を確認でき、目視によるプラズマ励起ガス流２１ｃの発光部分の長さｄ（到達距離ｄ）が、シースガス２２ａを全く使用しなかった場合の４．０ｍｍから９．９ｍｍまで伸びることがわかった。これによりこの実施例２でも、プラズマ励起ガスの到達距離を伸ばすことができた。ただし、内管１１の内径φ_１：３．６ｍｍ、外径φ_２：４．０ｍｍ、外管１２の内径φ_３：８．０ｍｍ、であり、プラズマ発生部１４の電極１４ａに印加されたpeak to peak電圧は１０ｋＶ（周波数３０ｋＨｚ）である。

以上の実施例より、このプラズマ放出装置１００は、シースガス流２２ｂの流量をプラズマ励起ガス流２１ｃの流量に応じた流量にすることで、放出後のプラズマ励起ガス流２１ｃとシースガス流２２ｂの流速を等しくでき、放出後のシースガス流２２ｂによって放出後のプラズマ励起ガス流２１ｃの層流状態が乱されることがなくなる。このように、放出後のプラズマ励起ガス流２１ｃの層流状態を維持することで、プラズマ励起ガス流２１ｃの流量を増加させることなく、プラズマ励起ガス流２１ｃの到達距離ｄを伸ばすことができる。

以上の実施例１、２では、プラズマ励起ガス流２１ｃの流量、つまり放電ガス２１の供給量を数ｓｌｍ以下の任意の値（０．５ｓｌｍ）に設定し、このプラズマ励起ガス流２１ｃの流量に対して、プラズマ励起ガス流２１ｃとシースガス流２２ｂとの境界面２３のプラズマ励起ガス流２１ｃが層流状態となるように、供給するシースガス２２ａの流量（供給量、供給圧）を制御した。このときプラズマ励起ガス流２１ｃとシースガス流２２ｂの境界面２３の流速は「同一」である。

本プラズマ放出装置１００では放電ガスとしてヘリウムやアルゴン以外のガスを使用できるが、特にヘリウムやアルゴンは、部分放電という現象によって放出されたプラズマ励起ガス流の中でも放電によりプラズマ状態になる。そのため、放出されたプラズマ励起ガス流を層流状態とすることで放出後の放電が安定し、プラズマ励起ガス流の到達距離をより伸ばすことができる。

１０ 放出ノズル
１１ 内管
１１ａ プラズマ励起ガス放出口
１１ｓ プラズマ励起ガス空間（放電ガス空間）
１２ 外管
１２ａ シースガス放出口
１２ｓ シースガス空間
１３ 放電ガス供給部
１４ プラズマ発生部
１４ａ 円筒状の電極
１５ シースガス供給部
２１ａ 放電ガス
２１ｂ プラズマ励起ガス
２１ｃ プラズマ励起ガス流
２２ａ シースガス
２２ｂ シースガス流
２３ 境界面
ｄ 到達距離（目視による放出されたプラズマ励起ガスの発光部分の長さ）

Claims (6)

1. 大気圧中に放電ガスをプラズマ状態に励起させたプラズマ励起ガス流を放出するプラズマ放出装置において、
   前記プラズマ励起ガス流を囲むように放出するシースガス流によって、前記プラズマ励起ガス流をその径方向の中心部と周辺部が混ざり合うことなく軸線方向に沿って移動する層流状態とし、
   前記プラズマ励起ガス流と前記シースガス流とは、境界面の流速が等しいことを特徴とするプラズマ放出装置。
2. 請求項１に記載のプラズマ放出装置において、前記シースガス流が放出された後の流速は、前記プラズマ励起ガス流が少なくとも放出された後に層流状態となる流速であるプラズマ放出装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のプラズマ放出装置において、前記プラズマ励起ガス流と前記シースガス流とは放出された後の流速が等しいプラズマ放出装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項記載のプラズマ放出装置において、前記プラズマ励起ガス流が放出されるプラズマ励起ガス放出口と、該プラズマ励起ガス放出口の外周を取り囲むように、前記シースガス流が放出されるシースガス放出口とが設けられたプラズマ放出装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項記載のプラズマ放出装置において、前記放電ガスはヘリウムまたはアルゴンであるプラズマ放出装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項記載のプラズマ放出装置において、前記プラズマ励起ガス流の流量は数ｓｌｍ以下であり、前記シースガス流の流量は、前記プラズマ励起ガス流が層流状態となるように制御されるプラズマ放出装置。

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