JPWO2010074195A1 - パルス放電発生方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
Description
T. Namihira, D. Wang, S. Katsuki,R. Hackam and H. Akiyama, "Propagation velocity of pulsed streamer dischargesin atmospheric air", IEEE Transactions on Plasma Science, Vol.31, No.5,PP.1091-1094, 2003. T. Namihira, T. Tokuichi, D. Wang, S. Katsuki, H. Akiyama,"Characterization of nano-seconds pulsed streamer discharges", 2007 IEEE PulsedPower and Plasma Science Conference, Albuquerque, USA, pp.572-575, 2007.
第1の電極と第2の電極とを備えた放電電極と、立ち上り時間が10ns以下のパルスを生成するパルス電源と、を用意し、
立ち上り時間が10ns以下のパルス電圧を前記電極間に印加することで第1の電極から第2の電極へストリーマヘッドを等速で進展させ、
電極間距離に対応して、パルスの持続時間、印加電圧を選択することで、進展するストリーマヘッドが前記第2の電極に到達する時に放電を終了させる、
パルス放電発生方法、
あるいは、
第1の電極と第2の電極とを備えた放電電極と、立ち上り時間が10ns以下のパルスを生成するパルス電源と、からなる放電発生装置であって、
前記パルス電源は、立ち上り時間が10ns以下のパルス電圧を前記電極間に印加することで第1の電極から第2の電極へストリーマヘッドを等速で進展させ、
パルスの持続時間、印加電圧は、電極間距離に対応して、進展するストリーマヘッドが前記第2の電極に到達する時に放電が終了するように選択されている、
パルス放電発生装置、である。
本発明において、パルスの立ち上がり時間は10ns以下(0は除く)のいかなる値(例えば、9ns,8ns,7ns,6ns,5ns,4ns,3ns,2ns,1ns,1ns未満(0は除く)、ないし、これらの間の任意の数値)を取り得る。パルスの立ち上がり時間が10nsよりも大きくなると、ストリーマ放電時のインピーダンス変化という不具合が生じる。本発明においてパルスの立ち上がり時間はより短い方が望ましく、1つの態様では、パルスの立ち上がり時間は9ns以下であり、1つの態様では8ns以下であり、1つの態様では7ns以下であり、1つの態様では6ns以下であり、1つの態様では5ns以下であり、1つの態様では4ns以下であり、1つの態様では3ns以下であり、1つの態様では2ns以下であり、1つの態様では1ns以下である。
第1の電極と第2の電極とを備えた放電電極と、立ち上り時間が10ns以下のパルスを生成するパルス電源と、を用意し、
立ち上り時間が10ns以下のパルス電圧を電極間に印加してストリーマ放電を生成して、第1の電極から第2の電極へストリーマヘッドを等速で進展させ、
電極間距離に対応して、パルスの持続時間、印加電圧を選択することで、ストリーマ放電の時間の1.5倍の時間内に放電を終了させる、
パルス放電発生方法、
あるいは、
第1の電極と第2の電極とを備えた放電電極と、立ち上り時間が10ns以下のパルスを生成するパルス電源と、からなる放電発生装置であって、
前記パルス電源は、立ち上り時間が10ns以下のパルス電圧を電極間に印加してストリーマ放電を生成して、第1の電極から第2の電極へストリーマヘッドを等速で進展させ、
パルスの持続時間、印加電圧は、電極間距離に対応して、ストリーマ放電の時間の1.5倍の時間内に放電が終了するように選択されている、
パルス放電発生装置、である。
放電時間がストリーマ放電の時間(ストリーマの進展時間)の1.5倍を越えると、グロー様放電の時間が長くなり、熱損失がかなりのレベルに達する。本発明において、ストリーマ放電の時間(ストリーマの進展時間)の1.5倍の時間内には、1.5倍以下のいかなる数値の倍数(例えば、1.4倍以下、1.3倍以下、1.2倍以下、1.1倍以下)が含まれる。グロー様放電時の熱損失を可及的に小さくするためには、この倍数はより少ない方が望ましい。また、本発明において、この倍数は1未満であってもよい(すなわち、ストリーマヘッドが第2の電極に到達する前に放電を終了させてもよい)。
1つの望ましい態様では、進展するストリーマヘッドが前記第2の電極に到達する時に放電を終了させる(すなわち、ストリーマの進展時間の1倍)ことで、放電をストリーマ放電のみで行なう。放電をストリーマ放電でのみで行なうことで、パルス電源の特性インピーダンスをストリーマ放電時の電極間インピーダンスに一致させるだけでよく、ストリーマ放電からグロー様放電への移行時のインピーダンスの急変に起因するパルス電源と放電電極とのインピーダンスの不整合を解消することができる。放電をストリーマ放電でのみで行なうことで、グロー様放電時の熱損失を可及的に小さくする、あるいは無くすことができる。
第1の電極と第2の電極とを備えた放電電極と、立ち上り時間がストリーマヘッド形成時間より短いパルスを生成するパルス電源と、を備え、
前記パルス電源からパルス電圧を前記電極間に印加することで第1の電極から第2の電極へストリーマヘッドを等速で進展させ、
電極間距離に対応して、パルスの持続時間、印加電圧を選択することで、進展するストリーマヘッドが前記第2の電極に到達する時に放電を終了させる、
パルス放電発生方法及び装置、
あるいは、
第1の電極と第2の電極とを備えた放電電極と、立ち上り時間がストリーマヘッド形成時間より短いパルスを生成するパルス電源と、を備え、
前記パルス電源からパルス電圧を電極間に印加してストリーマ放電を生成して、第1の電極から第2の電極へストリーマヘッドを等速で進展させ、
電極間距離に対応して、パルスの持続時間、印加電圧を選択することで、ストリーマ放電の時間の1.5倍の時間内に放電を終了させる、
パルス放電発生方法及び装置、である。
1つの態様では、前記対となって放電電極を構成する第1の電極と第2の電極は、同心状の外側の円筒状の電極と内側の円筒状ないし線状の電極とからなる。本発明に適用できる電極の構成については限定されず、線対平板、多線対平板、針対平板、多針対平板、ないし、当業者に知られているその他の形状や配置態様が含まれる。
パルス発生装置の概略図を図1Aに示す。パルス発生装置は、低インダクタンスで高速自己閉鎖型のスイッチとしての高圧スパークギャップスイッチ(SGS)1と、パルスフォーミングラインとしての3軸ブルームライン型線路(Triaxial Blumlein Line)2と、ブルームライン型線路から負荷(Load)へのエネルギー伝送線路(Transmission Line)3と、を備えている。SGS1は1mmのギャップ間隔を備え、SF6絶縁ガスが充填されている。パルス発生装置からの出力電圧の大きさは、SF6の圧力を変化させることで調整可能である。
本発明に係るナノ秒パルス放電の前提となるパルス放電の基本的概念の説明及び本発明に係るナノ秒パルス放電との比較を目的として、一般的なパルス放電の特性について説明する。
図2には、内部電極外径0.5mm、外部電極内径76mm、電極長10mmの乾燥空気で満たされた同軸円筒電極中におけるパルス放電の様子を電極軸方向から高速ゲート付ICCDカメラにて撮影したフレーミング像を示す。なお、フレーミング撮影時のICCDカメラの露光時間は5ns一定であり、撮影時間は電極への正極性パルス電圧印加時刻を0nsとして、各撮影像の右上に示している。また、電極への正極性印加パルス電圧の最大波高値は+72kV、その立ち上がり及び立ち下がり時間は50ns、その持続時間(半値幅)は100nsである。
図3には、図2のフレーミング撮影と同一条件にて撮影したパルス放電のストリーク撮影像を示す。このストリーク撮影像において、上端及び下端は同軸円筒電極の接地された外部電極内表面及び正極性の内部電極外表面と一致しており、横軸は経過時間を示している。なお、経過時間においてはストリーマヘッドの正極性内部線電極近傍への形成時刻を0 nsとしている。
図5には、図2, 3に示されるパルス放電時の典型的な電極への印加電圧及び放電電流波形を示す。図5より、[B−1]でも述べているように、正極性のパルス電圧(最大波高値:+72kV、立ち上がり及び立ち下がり時間:50ns、半値時間幅:100ns)が電極間へ印加されていることが確認される。また、放電電流については、ストリーマ放電期間においては5A程度であった電流が、グロー様放電期間においては40A程度まで急増していることが確認される。
図6には、図5に示される電極への印加電圧及び放電電流より算出される電極間(パルス放電プラズマ)インピーダンスを示す。[B−3]にて記したように、放電様相がストリーマ放電からグロー様放電へ移行するとともに電流が急増するために、電極間インピーダンスもまた放電様相の移行とともに急変していることが確認される。
図7には、窒素分子の2nd Positive Bandからの放電発光スペクトルを理論スペクトルと比較・フィッティングすることで得られる正極性内部線電極近傍の窒素分子の回転温度(=気体温度)の経時変化を示す。図7より、ストリーマ放電期間では気体温度の変化は見られないものの、グロー様放電期間では時間の経過とともに気体温度は上昇し、最終的には450K程度まで達していることが確認される。これは、グロー様放電期間においては、ストリーマヘッドが形成したプラズマチャネル内を大きな放電電流が流れるため、電流密度が大きくなりチャネル内の正イオンが加熱されたためである。なお、この加熱は非熱平衡プラズマの形成に対するエネルギー損失となる。
表1には、上述のパルス放電に関する諸特性をまとめる。表1より、パルス放電において、放電様相のストリーマからグロー様放電への移行は、パルス電源と放電電極との不整合の要因となるばかりではなく、気体加熱というエネルギー損失をももたらしていることが確認される。
(1)パルス電源と放電電極とのインピーダンスの不整合;
(2)グロー様放電時の熱損失;
があり、
(1)の原因としては、
(ア)ストリーマ放電からグロー様放電への移行時の電極間インピーダンスの急変;
(イ)ストリーマ放電時の電極間インピーダンスの変化;
がある。
本発明は、上記従来のパルス放電における課題を解決するためにいわゆるナノ秒パルス放電を用いた放電発生方法及び装置を提供するものである。ナノ秒パルス放電は、パルスの立ち上がり時間が10ns以下のパルス電圧を用いたパルス放電であり、典型的には、グロー様放電へ移行しない、即ち、ストリーマ放電のみで形成されるパルス放電である。以下にナノ秒パルス放電の一実施形態について説明する。
図8には、図2のパルス放電のフレーミング撮影と同一の同軸円筒電極中におけるナノ秒パルス放電の様子を電極軸方向から高速ゲート付ICCDカメラにて撮影したフレーミング像を示す。なお、フレーミング撮影時のICCDカメラの露光時間は0.2ns一定であり、撮影時間は正極性内部線電極近傍へのストリーマヘッドの形成時刻をTnsとして、各撮影像の上部に示している。また、電極への正極性印加パルス電圧の最大波高値は+100 kV、その立ち上がり及び立ち下がり時間は2ns、その持続時間(半値幅)は5nsであった。
図9には、図8のフレーミング撮影と同一条件にて撮影したナノ秒パルス放電のストリーク撮影像を示す。このストリーク撮影像において、上端及び下端は、図3同様、同軸円筒電極の接地された外部電極内表面及び正極性の内部電極外表面と一致しており、横軸は経過時間を示している。なお、経過時間においてはストリーマヘッドの正極性内部線電極近傍への形成時刻を0nsとしている。
表2に、ナノ秒パルス放電に関する諸特性をまとめる。表2より、ナノ秒パルス放電は、ストリーマ放電のみで構成されており、パルス放電におけるグロー様放電時に発生していた気体加熱に伴うエネルギー損失を排除できたことが確認された。また、ナノ秒パルス放電時の放電インピーダンスが、パルス放電時とは異なり、0.3kΩ一定となることが確認される(図11参照)。これはストリーマヘッドの進展速度が高速かつ等速となったことによると考えられる。よって、ナノ秒パルス放電は、パルス放電による非熱平衡プラズマ形成時の低エネルギー効率の要因であったパルス電源と放電電極との不整合(上記例では、特性インピーダンスが0.3kΩとなるようなパルス電源を用意することでインピーダンス整合が可能となる)及びグロー様放電時の熱損失の両要因を解消したと言える。
[D−1]ナノ秒パルス放電による排ガス処理
図12にはパルス放電プラズマ及びナノ秒パルス放電プラズマによるNO処理結果を示す。実験は、模擬排ガスをその組成N2Balance/NO200ppm/O25%/H2O2%、その流量2.0 L/minにて、内部電極外径0.5 mm、外部電極内径76 mm、電極長500 mm(ナノ秒パルス放電処理の場合は800 mmとなる)の同軸円筒型電極へ流し、一般的なパルス電源(時間幅:40-120ns)及びナノ秒パルス電源(時間幅:5ns)により電極間へ非熱平衡プラズマを形成することで実施した。図12の縦軸は電極への注入エネルギーに対するNO処理エネルギー効率であり、横軸はNO除去率である。よって、グラフの右上ほど除去能力及び除去エネルギー効率が優れていることを意味する。
図13にはナノ秒パルス放電プラズマ及び他の電気的放電プラズマによる空気原料オゾナイザーの特性マップを示す。本マップは縦軸に電極への注入エネルギーに対するオゾン生成エネルギー効率、横軸にオゾン生成濃度を取っており、マップの右上に位置するほど優れたオゾナイザーとなる。なお、ナノ秒パルス放電プラズマによるオゾン生成条件は、原料乾燥空気流量が1.0 L/min、同軸円筒型電極のパラメータが内部電極外径0.5mm、外部電極内径76mm、電極長200mmである。図13より、現在高性能オゾナイザーとして期待されている極短ギャップでの誘電体バリア放電に対して、オゾン生成エネルギー効率の面においてナノ秒パルス放電プラズマの優位性が確認される。また、ナノ秒パルス放電プラズマによる190g/kWhというオゾン生成エネルギー効率は、誘電体バリア放電によるオゾン生成の理論エネルギー効率に匹敵する値であり、現存するオゾン生成エネルギー効率データの最高値である。
Claims (24)
- 第1の電極と第2の電極とを備えた放電電極と、立ち上り時間が10ns以下のパルスを生成するパルス電源と、を用意し、
立ち上り時間が10ns以下のパルス電圧を前記電極間に印加することで第1の電極から第2の電極へストリーマヘッドを等速で進展させ、
電極間距離に対応して、パルスの持続時間、印加電圧を選択することで、進展するストリーマヘッドが前記第2の電極に到達する時に放電を終了させる、
パルス放電発生方法。 - 第1の電極と第2の電極とを備えた放電電極と、立ち上り時間がストリーマヘッド形成時間より短いパルスを生成するパルス電源と、を用意し、
前記パルス電源からパルス電圧を前記電極間に印加することで第1の電極から第2の電極へストリーマヘッドを等速で進展させ、
電極間距離に対応して、パルスの持続時間、印加電圧を選択することで、進展するストリーマヘッドが前記第2の電極に到達する時に放電を終了させる、
パルス放電発生方法。 - 第1の電極と第2の電極とを備えた放電電極と、立ち上り時間が10ns以下のパルスを生成するパルス電源と、を用意し、
立ち上り時間が10ns以下のパルス電圧を電極間に印加してストリーマ放電を生成して、第1の電極から第2の電極へストリーマヘッドを等速で進展させ、
電極間距離に対応して、パルスの持続時間、印加電圧を選択することで、ストリーマ放電の時間の1.5倍の時間内に放電を終了させる、
パルス放電発生方法。 - 第1の電極と第2の電極とを備えた放電電極と、立ち上り時間がストリーマヘッド形成時間より短いパルスを生成するパルス電源と、を用意し、
前記パルス電源からパルス電圧を電極間に印加してストリーマ放電を生成して、第1の電極から第2の電極へストリーマヘッドを等速で進展させ、
電極間距離に対応して、パルスの持続時間、印加電圧を選択することで、ストリーマ放電の時間の1.5倍の時間内に放電を終了させる、
パルス放電発生方法。 - 放電をストリーマ放電のみで行なう請求項3、4いずれかに記載のパルス放電発生方法。
- 第1の電極と第2の電極とを備えた放電電極と、パルスを生成するパルス電源と、を用意し、
前記パルス電源からパルス電圧を電極間に印加して第1の電極から第2の電極へストリーマヘッドを進展させてストリーマ放電を生成し、ストリーマ放電の間における前記パルス電圧をほぼ一定とすることで電極間インピーダンスをほぼ一定とする、
パルス放電発生方法。 - 前記パルスは、立ち上り時間が10ns以下のパルスである、請求項6に記載のパルス放電発生方法。
- 前記パルスは、立ち上り時間がストリーマヘッド形成時間より短いパルスである、請求項6、7いずれかに記載のパルス放電発生方法。
- 前記パルスの立ち下り時間が10ns以下である、請求項1乃至8いずれかに記載のパルス放電発生方法。
- 前記パルス電源の特性インピーダンスと、ストリーマヘッド進展時の電極間インピーダンスと、が整合されている、請求項1乃至9いずれかに記載のパルス放電発生方法。
- 請求項1乃至10いずれかに記載のパルス放電発生方法を用いて、前記電極間に供給した被処理ガスを処理する、ガス処理方法。
- 請求項1乃至10いずれかに記載のパルス放電発生方法を用いて、前記電極間に供給した酸素あるいは空気からオゾンを生成する、オゾン生成方法。
- 第1の電極と第2の電極とを備えた放電電極と、立ち上り時間が10ns以下のパルスを生成するパルス電源と、からなる放電発生装置であって、
前記パルス電源は、立ち上り時間が10ns以下のパルス電圧を前記電極間に印加することで第1の電極から第2の電極へストリーマヘッドを等速で進展させ、
パルスの持続時間、印加電圧は、電極間距離に対応して、進展するストリーマヘッドが前記第2の電極に到達する時に放電が終了するように選択されている、
パルス放電発生装置。 - 第1の電極と第2の電極とを備えた放電電極と、立ち上り時間がストリーマヘッド形成時間より短いパルスを生成するパルス電源と、からなる放電発生装置であって、
前記パルス電源は、立ち上り時間がストリーマヘッド形成時間より短いパルス電圧を前記電極間に印加することで第1の電極から第2の電極へストリーマヘッドを等速で進展させ、
パルスの持続時間、印加電圧は、電極間距離に対応して、進展するストリーマヘッドが前記第2の電極に到達する時に放電が終了するように選択されている、
パルス放電発生装置。 - 第1の電極と第2の電極とを備えた放電電極と、立ち上り時間が10ns以下のパルスを生成するパルス電源と、からなる放電発生装置であって、
前記パルス電源は、立ち上り時間が10ns以下のパルス電圧を電極間に印加してストリーマ放電を生成して、第1の電極から第2の電極へストリーマヘッドを等速で進展させ、
パルスの持続時間、印加電圧は、電極間距離に対応して、ストリーマ放電の時間の1.5倍の時間内に放電が終了するように選択されている、
パルス放電発生装置。 - 第1の電極と第2の電極とを備えた放電電極と、立ち上り時間がストリーマヘッド形成時間より短いパルスを生成するパルス電源と、からなる放電発生装置であって、
前記パルス電源は、立ち上り時間がストリーマヘッド形成時間より短いパルス電圧を電極間に印加してストリーマ放電を生成して、第1の電極から第2の電極へストリーマヘッドを等速で進展させ、
パルスの持続時間、印加電圧は、電極間距離に対応して、ストリーマ放電の時間の1.5倍の時間内に放電が終了するように選択されている、
パルス放電発生装置。 - 放電はストリーマ放電のみからなる請求項15、16いずれかに記載のパルス放電発生装置。
- 第1の電極と第2の電極とを備えた放電電極と、パルスを生成するパルス電源と、からなる放電発生装置であって、
前記パルス電源からパルス電圧を電極間に印加して第1の電極から第2の電極へストリーマヘッドを進展させてストリーマ放電を生成し、ストリーマ放電の間における前記パルス電圧をほぼ一定とすることで電極間インピーダンスをほぼ一定とするように構成された、
パルス放電発生装置。 - 前記パルスは、立ち上り時間が10ns以下のパルスである、請求項18に記載のパルス放電発生装置。
- 前記パルスは、立ち上り時間がストリーマヘッド形成時間より短いパルスである、請求項18、19いずれかに記載のパルス放電発生方法。
- 前記パルスの立ち下り時間が10ns以下である、請求項13乃至19いずれかに記載のパルス放電発生装置。
- 前記パルス電源の特性インピーダンスと、ストリーマヘッド進展時の電極間インピーダンスと、が整合されている、請求項13乃至21いずれかに記載のパルス放電発生装置。
- 請求項13乃至22いずれかに記載のパルス放電発生装置を用いて、前記電極間に供給した被処理ガスを処理するように構成されている、ガス処理装置。
- 請求項13乃至22いずれかに記載のパルス放電発生装置を用いて、前記電極間に供給した酸素あるいは空気からオゾンを生成するように構成されている、オゾン生成装置。
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