JP7428521B2

JP7428521B2 - 電極

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Publication number: JP7428521B2
Application number: JP2020004381A
Authority: JP
Inventors: 朋且佐藤
Original assignee: Techno Ryowa Ltd
Current assignee: Techno Ryowa Ltd
Priority date: 2020-01-15
Filing date: 2020-01-15
Publication date: 2024-02-06
Anticipated expiration: 2040-01-15
Also published as: JP2021109164A

Description

本発明は、プラズマの発生に用いる電極に関する。

近年では、薬液等を用いない殺菌方法として、放電プラズマを利用した殺菌方法が提案されている。この方法は、放電プラズマにより生成する反応性の高い化学活性種やイオンの酸化力を用いて殺菌するものである。電気的なエネルギーのみで高い殺菌効果が得られ、薬液などを用いる方法のような残留性が無いことから様々な分野で応用されている。

特開１９９９－１８７８７２号公報特開２００１－２５２６６５号公報

プラズマを用いた殺菌には、電極を用いてコロナ放電を発生させ、生成したラジカル類により殺菌を行う方法がある。また、被処理水中にて電極間に高電圧パルスを印加することで被処理水を絶縁破壊し、生成するラジカル類と衝撃波により被処理水を殺菌する方法も提案されている。他にも、被処理水の水面に対して誘電体バリア放電を発生させ、水面にプラズマを照射してプラズマ処理水を生成し、このプラズマ処理水を用いて殺菌対象を殺菌する方法もある。

これらのプラズマ処理において用いられる放電では、プラズマ発生時の発熱が大きなものとなる。そのため、プラズマの発生に用いられる電極は、耐熱性が求められ、熱による変形等を防止する必要があった。この耐熱性を確保するために、電極は高コスト化し、複雑な構造となっていた。

本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するために提案されたものである。その目的は、構造が簡易化されるとともに低コスト化された電極を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の電極は、以下の特徴を有する。
（１）円板状の金属板と、前記金属板の下面に接着固定され、前記金属板の直径より大きな寸法を有する板状の誘電体と、前記誘電体の上下面において、少なくとも下面側に配置され、前記誘電体の端部を固定するカバーと、を有し、前記カバーには、前記金属板の直径より大きな寸法を有し、かつ、前記誘電体より小さな寸法を有する開口部が設けられ、前記カバーは、前記開口部に前記金属板が位置し、前記金属板を露出させるように前記誘電体の端部を固定し、前記金属板の外周面と、前記カバーの開口部の内周面との間には、空間が設けられている。

（２）前記金属板の外周面と、前記カバーの開口部の内周面との間の距離が、１ｃｍ以上であっても良い。

（３）前記金属板の円周部分は、シリコンシーラントを介して、前記誘電体にモールド接着されていても良い。

（４）リング状の固定ブラケットをさらに有し、前記固定ブラケットの内周側に前記金属板が嵌め込まれ、前記固定ブラケットが前記誘電体にシリコンシーラントを介して固定されることにより、前記金属板は前記誘電体に接着されていても良い。

（５）前記金属板がステンレス板であり、前記誘電体が石英ガラスであっても良い。

（６）前記カバーの材質が、ポリカーボネート樹脂であっても良い。

（７）前記カバーが、前記誘電体の端部を挟持する上面カバーおよび下面カバーであっても良い。

本発明によれば、構造が簡易化されるとともに低コスト化された電極を提供することができる。

第１の実施形態にかかる電極の一例を示す上面図である。第１の実施形態にかかる電極の一例を示す断面図である。金属板を誘電体にモールド接着する例を示す写真である。固定ブラケットを示す写真である。固定ブラケットを用いて、金属板を誘電体に接着固定した例を示す写真である。他の実施形態にかかる電極の一例を示す断面図である。

［構成］
本発明に係る電極の実施形態について図面を参照しつつ説明する。電極は、例えば、誘電体バリア放電電極であり、殺菌対象に供給されるプラズマ殺菌水を生成するプラズマ殺菌水生成装置に用いることができる。プラズマ殺菌水は、被処理水に対してプラズマ放電を行うことで生成されたラジカル類が溶存する水である。このラジカル類が有するとされる殺菌力により、殺菌対象は殺菌される。なお、電極は、プラズマ殺菌水生成装置以外にも、プラズマを用いる装置に対して適用可能である。また、電極の構成は、種々の平板状の電極に適用可能である。

電極は、互いに対向するように配置された上部電極Ａおよび下部電極を含む。上部電極Ａは、金属板１、誘電体２、上面カバー３、および下面カバー４を有する。下部電極は接地極に相当する電極である。

（金属板）
図１および図２に示す通り、上部電極Ａの金属板１は、円板状の電極である。円板状とは、真円の円板だけでなく、楕円や、四角形において角部分を丸めた形状等を含む。角を有さない形状とすることで、エッジ部への電界集中や火花放電の進展が防止される。金属板１は、耐腐食性のある金属として、例えばニッケル、チタン、各種ステンレス鋼、アルミ、銅、パラジウム、金を用いることができる。他には、誘電体２の一例であるガラスとの相性からコバールを用いても良い。特に、金属板１としてステンレス板を用いることにより、コストダウンと耐久性の向上が達成される。

また、金属板１は、誘電体２上に０．１μｍ～５０μｍ程度の金属層をスパッタリングや蒸着により形成しても良い。スパッタリングや蒸着により形成された金属板１は、誘電体２に接着固定された状態となる。金属板１をスパッタリングで形成する場合には、誘電体２に対し０．１μｍ～１μｍ程度の下地層を設け、その下地層の上に金属板１としての金属層を設ける構成としても良い。

誘電体２に対し、金属板１をスパッタリングにより形成すると、成膜された層の誘電体２に対する密着力が向上し、膜応力も高くすることができる。下地層としては、チタン、パラジウム、ニッケル、クロムをスパッタリングにより形成することが好ましい。下地層を形成することにより、誘電体２に対する金属板１としての金属層の密着度がさらに向上される。

なお、スパッタリングによる金属板１と下地層の厚みの合計を０．２～１μｍとすると、十分な電極性能が得られる。また、平板状の金属板１を用いる場合と比較して、電極が軽量化される。また、金属板１と下地層の厚みの合計を０．２～０．５μｍとすることが好ましい。合計０．２～０．５μｍの薄膜を形成する場合には、電極性能を維持しつつも、スパッタリングにかかる時間が短縮可能となる。よって、製造工数削減により、電極をより低コストで提供できる。

例えば金属板１および誘電体２が真円の円板状である場合、金属板１の水平方向の大きさ、すなわち直径は、誘電体２の直径より小さい。また、金属板１の直径は、後述する上面カバー３および下面カバー４の開口部の内径より小さい。金属板１の直径は、電極Ａが適用される装置等の条件により適宜変更可能であるが、例えば１～２０ｃｍとすることができる。また、金属板１の厚みは、０.２μｍ～２０ｍｍとすると良い。このように、上部電極Ａは、金属板１の面積を自由に設定可能であり、大小様々な電極構成が提供される。なお、以上のような金属板１には交流電圧印加による発熱が伝導する。金属板１の下面側には、誘電体２が設けられている。

（誘電体２）
誘電体２は、円板状に形成されている。ただし、誘電体２は矩形等、他の形に形成されていても良い。誘電体４は、比誘電率（εｒ）が比較的大きく、誘電正接（ｔａｎδ）が小さく、絶縁耐力（ＫＶ／ｍｍ）が良いことが好ましい。誘電体４の材料としては、石英ガラス（εｒ：３．５～４．５、ｔａｎδ：～０．０００５）、ガラス（εｒ：３～１０、ｔａｎδ：０．００３）、ポリエチレン（εｒ：２～２．５、ｔａｎδ：～０．０００５）、ポリプロピレン（εｒ：２～２．３、ｔａｎδ：～０．０００５）、ポリテトラフルオロエチレン（εｒ：２．０、ｔａｎδ：～０．０００２）、アルマイト（蓚酸アルマイト；εｒ：６～１０、ｔａｎδ：～０．００１）や窒化ケイ素（εｒ：７～８、ｔａｎδ：０．０００５）等のセラミックスを用いることができる。特に、誘電体２として石英ガラスを用いることにより、コストダウンと耐久性の向上が達成される。

例えば金属板１および誘電体２が真円の円板状である場合、誘電体２の直径は、金属板１の直径より大きい。また、誘電体１の直径は、後述する上面カバー３および下面カバー４の開口部の内径より大きく、上部カバー３および下部カバー４により挟持可能に構成されている。誘電体２の直径は、電極Ａが適用される装置等の条件により適宜変更可能であるが、例えば３.５～２２.５ｃｍとすることができる。誘電体２の厚さについては、薄い方が放電し易い。ただし、電極に対する電源の印加電圧と誘電体２の絶縁耐力との兼ね合いを考慮する必要がある。また、上部電極Ａとしての耐久性・機械的な強度も考慮した上で、誘電体２の厚みを決定する。例えば、誘電体２の厚みは、１～３ｍｍとすると良い。

（上面カバーおよび下面カバー）
上面カバー３および下面カバー４は、誘電体の端部を固定するカバーである。上面カバー３は、誘電体２の上面に配置される。また、下面カバー４は、誘電体２の下面に配置される。上面カバー３および下面カバー４は、誘電体２の端部を上下方向から挟んで固定する部材である。なお、上面カバー３と下面カバー４の双方を必ずしも有している必要はない。下面カバー４を断面Ｌ字型に形成し、誘電体２を上方から嵌め込むことで、誘電体２の端部を下から支持しつつ固定する構成としても良い。

上面カバー３は、矩形状の平板であり、その中央に開口部３ａを有する。同様に、下面カバー４は、矩形状の平板であり、その中央に開口部４ａを有する。上面カバー３および下面カバー４の材質としては、ポリフェニレンサルファイド樹脂や、ポリカーボネート樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリサルホン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂等を用いることができる。特に、ポリカーボネート樹脂を用いることで、十分な耐熱性を維持しつつ、コストダウンが可能となる。

上面カバー３および下面カバー４は、同じ寸法の平板であってよい。上面カバー３および下面カバー４は、誘電体２の直径よりも大きな寸法を有する必要がある。例えば、５～２４ｃｍ×５～２４ｃｍの矩形の平板を用いることができる。また、上面カバー３の開口部３ａおよび下面カバー４の開口部４ａは、金属板１の形に倣った開口部である。例えば、金属板１が真円の円形の場合、開口部３ａおよび４ａも真円の円形とすると良い。また、開口部３ａおよび４ａは、同じ直径を有して良い。開口部３ａおよび開口部４ａの直径は、金属板１の直径より大きく、誘電体２の直径より小さい必要がある。

例えば、開口部３ａおよび開口部４ａを真円の円形とした場合、直径は、３～２２ｃｍとすることができる。このような直径とすることで、上面カバー３および下面カバー４の間に、誘電体２の端部を挟持することが可能となる。ただし、金属板１の熱伝導により誘電体２の外周面も１００℃近くまで加熱され得る。そのため、上面カバー３および下面カバー４と、誘電体２の接触面積は、固定強度を考慮した上で、極力少なくすることが好ましい。例えば、開口部３ａおよび開口部４ａの直径を、誘電体２の直径より５ｍｍ程度小さく構成することで、固定強度を確保しつつ接触面積を最小化することができる。

また、金属板１の外周面と、上面カバー３の内周面との間には空間が設けられている。その空間の距離は、少なくとも１ｃｍ以上、好ましくは２ｃｍ以上に構成することが好ましい。金属板１の発熱が上面カバー３に伝わることを防止するためである。金属板１の外周面と、下面カバー４の内周面との間の空間も、同様に設定することができる。なお、カバーを下面カバー４のみで構成した場合には、金属板１の外周面と、下面カバー４の内周面との間に、少なくとも１ｃｍ以上の空間を設ければ良い。

上面カバー３および下面カバー４は、固定孔５を複数有する。固定孔５の数は、上面カバー３および下面カバー４の大きさを考慮して適宜決定可能である。固定孔５には、誘電体２を上面カバー３および下面カバー４の間に挟持した状態で、固定具５ａが挿入されて固定される。固定具５ａとしては、ボルトやナット、ネジ等を適宜用いてよい。

以上のような構成を有する上部電極Ａの構成例としては、金属板１である直径１２０ｍｍの円形のステンレス板を、誘電体２である直径１７５ｍｍの透明溶解石英板に接着固定する構成がある。そして、直径１７０ｍｍの開口部３ａおよび４ａを有するポリカーボネート樹脂製の上面カバー３および下面カバー４により、石英板の端部が挟持される。このような上部電極Ａにおいては、ステンレス板の外周面と、上面カバー３の開口部３ａの内周面との間に、２７.５ｍｍの空間が設けられることとなる。

（下部電極）
以上のような上部電極Ａは、接地極である下部電極と対向するように配置されて用いられる。例えば、プラズマ殺菌水生成装置の場合、下部電極を、被処理水が貯留された水槽の下部側に配置すればよい。下部電極を、水槽に貯留された被処理水中に水没する位置に設ける。すると、誘電体バリア放電の放電電流は、被処理水中を経由して下部電極に流れる構成となる。

下部電極の材質は金属であれば良く、その形状も自由に変更可能である。ただし、誘電体バリア放電の放電電流を確実にアースに導くことができるように構成する。例えば、水槽の非処理水中に下部電極を水没させる場合、水中における耐腐食性に優れ、比較的硝酸系の酸にも耐力がある金属として、例えばステンレスを用いると良い。

（電源）
以上のような上部電極Ａおよび下部電極には、誘電体バリア放電発生用の交流電圧を印加する高圧電源である電源が接続されて良い。例えば、プラズマ殺菌水生成装置の場合、電源は、交流の交番周波数が数ｋＨｚ～数十ｋＨｚ、印加電圧は最大で１０ｋＶ_０－p（２～３ｋＶ／ｃｍ）程度、電源容量は５００ＶＡ程度のものを用いることができる。ただし、電源は、電極が適用される装置の条件等を考慮したうえで、適宜選択可能である。

（金属板と誘電体の接着構造）
上記の通り、金属板１の直径は、上面カバー３および下面カバー４の開口部の内径より小さく、上面カバー３および下面カバー４に接触しない。一方、誘電体２は、上面カバー３および下面カバー４により挟持可能に構成されている。金属板１の下面は、この誘電体２の上面に接着固定されている。具体的には、図３（ａ）および（ｂ）に示す通り、金属板１の円周部分はモールド部６が設けられ、誘電体２にモールド接着されている。

モールド部６には、２００℃以上の耐熱性を有する、シリコンシーラントを用いることが好ましい。例えば、２５０℃の耐熱性を有するモメンティブ社のＴＳＥ３８２６を用いると良い。このようなシリコンシーラントを金属板１の上面の一部、円周部分、および下面の一部に至るように塗布し、金属板１を誘電体２の所望の位置に圧着すると良い。シリコンシーラントが硬化されることによりモールド部６が形成され、金属板１が誘電体２に接着固定される。

また、モールド固定に代わり、図４に示す通り、固定ブラケット７を有し、固定ブラケット７を用いて誘電体２に金属板１を固定しても良い。固定ブラケット７は、２００℃以上の耐熱性を有する樹脂を用いて形成すれば良く、例えばポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリアミドイミド樹脂等を用いることができる。固定ブラケット７は、断面が逆Ｌ字型のリング状の部材であり、逆Ｌ字型の内周面において、金属板１の上面の一部と円周部分に接触する。また、固定ブラケット７の底面において、誘電体２の上面の一部に接触する。固定ブラケット７の厚みを１０ｍｍ以上とすることで、固定ブラケット７の熱変形が確実に防止される。

図５（ａ）～（ｄ）に示す通り、固定ブラケット７は、内周面と底面に至るように上記のシリコンシーラント７ａが塗布され、金属板１および誘電体２に接着されて良い。このように接着することにより、固定ブラケット７の内周側に金属板１がはめ込まれるとともに、固定ブラケット７の底面が誘電体２に固定される。よって、金属板１が誘電体２に接着固定される。また、シリコンシーラント７ａを介することにより、固定ブラケット７の熱変形が防止される。

［作用効果］
以上のような本実施形態の電極の作用効果は、以下のとおりである。
（１）円板状の金属板と、金属板の下面に接着固定された誘電体と、誘電体の端部を固定するカバーと、と有し、カバーは開口部が設けられ、金属板の外周面と、カバーの開口部の内周面との間には、空間が設けられている。

各種プラズマ処理において用いられる誘電体バリア放電は、プラズマ発生時の発熱が大きい特殊放電である。そのため、プラズマ処理に用いられる電極は、熱に対する強度が求められる。そのため、従来では、高価な電極材料を用いて、複雑な構造の電極を用いることが多い。

しかし、本実施形態の電極では、発熱が生じる金属板１と、上面カバー３との間に空間が設けられている。そのため、上面カバー３は金属板１からの発熱の影響を受けにくくなり、変形が防止される。また、金属板１が接着固定された誘電体２は加熱されるが、誘電体２の端部の温度は１００℃以下に留まることが明かとなった。従って、電極の耐熱性を向上することができる。

また、上面カバー３および下面カバー４は、金属板１が接着固定された誘電体２の端部を挟持する構成を有する。そのため、誘電体２に対する、上面カバー３および下面カバー４の接触面積が低減される。金属板１の発熱により誘電体２も１００℃以下ではあるが加熱される。しかし、誘電体２と上面カバー３および下面カバー４の接触面積を低減させることで、上面カバー３および下面カバー４の変形をさらに防止することが可能となる。以上より、比較的耐熱温度の低い安価な樹脂を用いて上面カバー３および下面カバー４を製造することができる。

また、従来のように、上面カバー３および下面カバー４で、金属板１および誘電体２の双方を挟持しないため、カバーを用いて金属板１を誘電体２に固定することができない構成である。しかし、金属板１を誘電体２に接着固定させることにより、簡易化された電極構造を維持しつつ、上面カバー３および下面カバー４の変形を防止した、耐熱性に優れた電極を提供することができる。

以上のような耐熱性の高い上部電極Ａは、金属板１が接着固定された誘電体２を、上面カバー３および下面カバー４により挟持する、という簡易化された構造により形成されている。従って、この簡易化された構造により、上部電極Ａのアッセンブリもの作業性も向上する。

（２）金属板の外周面と、カバーの開口部の内周面との間の距離が、１ｃｍ以上である

金属板１の外周面と、上面カバー３の開口部３ａの内周面との間の距離を１ｃｍ以上とすることで、金属板１からの発熱が上面カバー３に直接伝導することを防止できる。よって、より耐熱性の高い電極を提供することが可能となる。

（３）金属板の円周部分は、シリコンシーラントを介して、誘電体にモールド接着されている。

シリコンシーラントを用いて金属板１を誘電体２にモールド接着することで、金属板１を強固に誘電体２に接着固定することができる。また、金属板１の円周部分をシリコンシーラントで覆うことにより、金属板１の端部からのエッジ放電を防止することができる。高発熱部位である金属板１の周囲にのみ耐熱シリコンシーラントを用いることにより、電極のコストダウンを達成できる。

（４）固定ブラケットをさらに有し、金属板の円周部分は、固定ブラケットおよびシリコンシーラントを介して、誘電体に接着されている。

固定ブラケット７を用いて金属板１を誘電体２に接着固定することで、金属板１を強固に誘電体１に接着固定することができる。固定ブラケット７は金属板１がはめ込まれるように構成されているため、作業者は金属板１の接着を用意に行うことができる。固定ブラケット７は、シリコンシーラント７ａを介して金属板１に接触している。そのため、固定ブラケット７の熱変形が防止される。高発熱部位である金属板１の周囲にのみ固定ブラケット７および耐熱シリコンシーラント７ａを用いることにより、電極のコストダウンを達成できる。

（５）金属板がステンレス板であり、誘電体が石英ガラスである。

上記のように、上部電極Ａは簡易化された構造を有する。そのため、流通量が多い規格板厚のステンレス板や規格品の石英ガラス板を用いて上部電極を構成することが可能となる。これにより、コストダウンと耐久性が両立できる。そのうえ、電極を繰り返し利用したとしても、上記のように発熱による変形等が防止されるため、長期利用可能な電極を提供することができる。

（６）カバーの材質が、ポリカーボネート樹脂である。

上記の通り、誘電体２は金属板１により加熱されるが、その温度は１００℃以下と比較的低温である。そのため、上面カバー３および下面カバー４の材質を、１３０℃耐熱のポリカーボネート樹脂としても、カバーに変形が生じることは無い。従って、上面カバー３および下面カバー４にポリカーボネート樹脂を採用し、コストダウンを図ることが可能となる。

（７）カバーが、誘電体の端部を挟持する上面カバーおよび下面カバーである。

上面カバー３および下面カバー４を用いて、誘電体２の端部を上下方向から挟持して固定することにより、より確実に誘電体２を固定することが可能となる。

［その他の実施の形態］
（１）上記実施形態では、金属板１、誘電体２、開口部３ａおよび４ａを、例として真円状の部材としている。そのため、各部材の直径を用いて、寸法の関係性を説明している。ただし、これらの部材は、真円状に限定されない。上部電極Ａにおいては、誘電体２および開口部３ａおよび４ａが金属板１よりも大きく、金属板１の外周面と、上面カバー３の開口部３ａの内周面との間に、空間が設けられていることを条件に、種々の形状を採用可能である。

（２）上記実施形態では、上面カバー３および下面カバー４を、それぞれ平板状の部材としている。しかし、例えば、一方を、断面Ｌ字型に形成しても良い。カバーのいずれかを断面Ｌ字型に形成することで、誘電体２の上下面の端部に加え、外周面をカバーすることが可能となり、誘電体２のズレを防止することができる。また、挿入された固定具５ａをより強固に固定することが可能となる。

特に、図６に示す通り、下面カバー４を断面Ｌ字型のザグリ構造に形成し、誘電体２の端部を上面カバー３および下面カバー４が形成する断面矩形の溝にはめ込むことが好ましい。下面カバー４のザグリ構造部分の直径は、誘電体２の直径よりもやや大きく、はめ込まれた誘電体２がズレない構成となっている。また、下面カバー４のザグリ構造部分の深さは、誘電体２の厚みと同一となるように形成されている。このように構成することで、誘電体２の上面と、下面カバー４の上面が面一となり凹凸差がなくなる。したがって、上面カバー３と均一に接するため、固定が強固となる。

Ａ上部電極
１金属板
２誘電体
３上面カバー
３ａ開口部
４下面カバー
４ａ開口部
５固定孔
５ａ固定具
６モールド部
７固定ブラケット
７ａシリコンシーラント

Claims

円板状の金属板と、
前記金属板の下面に接着固定され、前記金属板の直径より大きな寸法を有する板状の誘電体と、
前記誘電体の上下面において、少なくとも下面側に配置され、前記誘電体の端部を固定するカバーと、を有し、
前記カバーには、前記金属板の直径より大きな寸法を有し、かつ、前記誘電体より小さな寸法を有する開口部が設けられ、
前記カバーは、前記開口部に前記金属板が位置し、前記金属板を露出させるように前記誘電体の端部を固定し、
前記金属板の外周面と、前記カバーの開口部の内周面との間には、空間が設けられている電極。
前記金属板の外周面と、前記カバーの開口部の内周面との間の距離が、１ｃｍ以上である請求項１記載の電極。
前記金属板の円周部分は、シリコンシーラントを介して、前記誘電体にモールド接着されている請求項１又は２記載の電極。
リング状の固定ブラケットをさらに有し、
前記固定ブラケットの内周側に前記金属板が嵌め込まれ、前記固定ブラケットが前記誘電体にシリコンシーラントを介して固定されることにより、前記金属板は前記誘電体に接着されている請求項１又は２記載の電極。
前記金属板がステンレス板であり、
前記誘電体が石英ガラスである請求項１～４いずれか一項記載の電極。
前記カバーの材質が、ポリカーボネート樹脂である請求項１～５いずれか一項記載の電極。
前記カバーが、前記誘電体の端部を挟持する上面カバーおよび下面カバーである請求項１～６いずれか一項記載の電極。