JPWO2018029845A1 - プラズマ発生装置、およびプラズマ照射方法 - Google Patents

Abstract

本発明の大気圧プラズマ発生装置１０は、ヒートシンク２７，２８を有している。ヒートシンクには、流路が形成されており、その流路に冷却ガスが流されることで、反応室の形成された下部ハウジング２０が冷却される。この際、冷却に用いられたガスは、下部ハウジングの熱により加温される。その加温されたガスは、加熱ガス供給装置１４に供給され、ヒーター１１２によって加熱される。そして、加熱されたガスが下部カバー２２に流され、下部カバー２２から、プラズマガスとともに、被処理体に向かって噴出される。これにより、放電により加熱された下部ハウジングの冷却、および被処理体の加熱を行うとともに、ガスの加熱に要するエネルギーを低減することが可能となる。

Description

本発明は、放電により処理ガスをプラズマ化させるプラズマ発生装置、および、プラズマ発生装置を用いてプラズマを照射するプラズマ照射方法に関する。

プラズマ発生装置では、処理ガスが供給された反応室において電圧が印加されることで、放電により処理ガスがプラズマ化される。この際、反応室は、放電により加熱され、比較的高温となる。このため、下記特許文献に記載されているように、プラズマ発生装置を冷却するための技術が開発されている。

特表２０１５−５１６６６２号公報

上記特許文献に記載の技術によれば、放電により加熱されたプラズマ発生装置を冷却することが可能なる。一方で、プラズマ処理時に、被処理体を加熱することで、プラズマ処理の効果が向上することが知られており、加熱ガスとプラズマガスとを被処理体に噴出するプラズマ発生装置の開発が、進められている。このように、プラズマ発生装置では、放電により加熱されたプラズマ発生装置の冷却，被処理体の加熱などが望まれている。本発明は、そのような実情に鑑みてなされたものであり、本発明の課題は、放電により加熱されたプラズマ発生装置の冷却、および被処理体の加熱を好適に行うことが可能なプラズマ発生装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本願に記載のプラズマ発生装置は、放電により処理ガスをプラズマ化させる反応室が形成された本体部と、流路が形成され、その流路を流れる流体により前記本体部を冷却する冷却部と、前記本体部に形成され、前記反応室においてプラズマ化されたプラズマガスを噴出させるための噴出口と、前記冷却部において前記本体部の冷却に用いられた流体を加熱し、その加熱した流体を、前記噴出口から噴出されたプラズマガスに対して噴出する噴出装置とを備えることを特徴とする。

本願に記載のプラズマ発生装置では、冷却部に流路が形成されており、その流路に流体が流されることで、反応室の形成された本体部が冷却される。この際、本体部の冷却に用いられた流体は、本体部の熱により加温される。そして、加温された流体が更に加熱され、その加熱された流体が、プラズマガスとともに、被処理体に噴出される。これにより、放電により加熱されたプラズマ発生装置の冷却、および被処理体の加熱を行うとともに、流体の加熱に要するエネルギーを低減することが可能となる。

大気圧プラズマ発生装置を示す斜視図である。 保護カバーが取り外された状態の大気圧プラズマ発生装置を示す斜視図である。 大気圧プラズマ発生装置の下端部を示す斜視図である。 大気圧プラズマ発生装置の下端部を示す透過図である。 図４でのＡＡ線における断面図である。 ヒートシンクの分解斜視図である。 制御装置のブロック図である。 第２実施例の大気圧プラズマ発生装置を示す斜視図である。 変形例のヒートシンクの分解斜視図である。

以下、本発明を実施するための形態として、本発明の実施例を、図を参照しつつ詳しく説明する。

［第１実施例］
＜大気圧プラズマ発生装置の構成＞
図１乃至図５に、本発明の第１実施例の大気圧プラズマ発生装置１０を示す。大気圧プラズマ発生装置１０は、大気圧下でプラズマを発生させるための装置であり、プラズマガス噴出装置１２と、加熱ガス供給装置１４と、制御装置（図７参照）１６とを備えている。なお、図１は、大気圧プラズマ発生装置１０の斜視図であり、図２は、プラズマガス噴出装置１２の保護カバー１７と加熱ガス供給装置１４の保護カバー１８とを取り外した状態の大気圧プラズマ発生装置１０の斜視図である。図３は、大気圧プラズマ発生装置１０の下端部を斜め下方からの視点において示す斜視図である。図４は、プラズマガス噴出装置１２の要部の透過図である。図５は、図４のＡＡ線における断面図である。なお、大気圧プラズマ発生装置１０の幅方向をＸ方向と、大気圧プラズマ発生装置１０の奥行方向をＹ方向と、Ｘ方向とＹ方向とに直行する方向、つまり、上下方向をＺ方向と称する。

プラズマガス噴出装置１２は、上記保護カバー１７、上部ハウジング１９、下部ハウジング２０、下部カバー２２、１対の電極２４，２６、１対のヒートシンク２７，２８によって構成されている。上部ハウジング１９と下部ハウジング２０とは、上部ハウジング１９を下部ハウジング２０の上に配設させた状態で、ゴム製のシール部材２９を介して連結されている。そして、連結された状態の上部ハウジング１９と下部ハウジング２０とが、Ｘ方向における両側面において、１対のヒートシンク２７，２８によって挟まれている。

下部ハウジング２０は、メインハウジング３０、放熱板３１、アース板３２、連結ブロック３４、ノズルブロック３６を含む。メインハウジング３０は、概してブロック状をなし、メインハウジング３０の内部には、反応室３８が形成されている。また、メインハウジング３０には、Ｙ方向に延びるように、４本の第１ガス流路５０が形成されており、４本の第１ガス流路５０は、Ｘ方向に所定の間隔をおいて並んでいる。各第１ガス流路５０の一端部は、反応室３８に開口し、他端部は、メインハウジング３０のＹ方向における側面に開口している。さらに、メインハウジング３０には、４本の第１ガス流路５０に対応して、４本の第２ガス流路５２が、Ｚ方向に延びるように形成されている。各第２ガス流路５２の上端部は、対応する第１ガス流路５０に開口し、下端部は、メインハウジング３０の底面に開口している。

放熱板３１は、メインハウジング３０の第１ガス流路５０が開口する側面に配設されており、第１ガス流路５０の側面への開口を塞いでいる。放熱板３１は、複数のフィン（図示省略）を有しており、メインハウジング３０の熱を放熱する。また、アース板３２は、避雷針として機能するものであり、メインハウジング３０の下面に固定されている。アース板３２には、４本の第２ガス流路５２に対応して、上下方向に貫通する４個の貫通穴５６が形成されており、各貫通穴５６は、対応する第２ガス流路５２に連結されている。

連結ブロック３４は、アース板３２の下面に固定されている。連結ブロック３４の上面には、Ｘ方向に延びるように、凹部６０が形成されており、凹部６０は、アース板３２の４個の貫通穴５６と対向している。また、連結ブロック３４には、Ｚ方向に延びるように、６本の第３ガス流路６２が形成されており、６本の第３ガス流路６２は、Ｘ方向に所定の間隔をおいて並んでいる。各第３ガス流路６２の上端部は、凹部６０に開口し、下端部は、連結ブロック３４の底面に開口している。なお、アース板３２の各貫通穴５６は、連結ブロック３４の凹部６０のＹ方向における一端部と対向しており、連結ブロック３４の第３ガス流路６２は、凹部６０のＹ方向における他端部に開口している。

ノズルブロック３６は、連結ブロック３４の下面に固定されており、連結ブロック３４の６本の第３ガス流路６２に対応して、６本の第４ガス流路６６が、Ｚ方向に延びるように形成されている。各第４ガス流路６６の上端部は、対応する第３ガス流路６２に連結され、下端部は、ノズルブロック３６の底面に開口している。なお、メインハウジング３０，連結ブロック３４，ノズルブロック３６は、耐熱性の高いセラミックにより成形されている。

下部カバー２２は、概して枡形をなし、連結ブロック３４およびノズルブロック３６を覆うように、アース板３２の下面に固定されている。下部カバー２２の下面には、貫通穴７０が形成されている。その貫通穴７０は、ノズルブロック３６の下面より大きく、ノズルブロック３６の下面が、貫通穴７０の内部に位置している。また、下部カバー２２の加熱ガス供給装置１４側の側面にも、Ｙ方向に延びるように貫通穴７２が形成されている。なお、下部カバー２２も、メインハウジング３０等と同様に、耐熱性の高いセラミックにより成形されている。

１対の電極２４，２６は、メインハウジング３０の反応室３８の内部において、対向するように配設されている。その反応室３８には、ガス供給路（図示省略）を介して、処理ガス供給装置（図７参照）７７が接続されている。処理ガス供給装置７７は、酸素等の活性ガスと窒素等の不活性ガスとを任意の割合で混合させた処理ガスを供給するものであり、供給量を任意に調整することが可能とされている。これにより、反応室３８に、任意の流量（Ｌ／ｍｉｎ）の処理ガスが供給される。

１対のヒートシンク２７，２８の各々は、概して長手形状をなし、各ヒートシンク２７，２８の長手方向の長さ寸法は、連結された上部ハウジング１９とメインハウジング３０とのＺ方向における長さ寸法より長くされている。そして、連結された上部ハウジング１９とメインハウジング３０とのＸ方向における両側面に、１対のヒートシンク２７，２８が、上下方向に延びる姿勢で固定されている。なお、各ヒートシンク２７，２８の上端部は、上部ハウジング１９の上端面の上方に延び出している。

各ヒートシンク２７，２８は、図６に示すように、本体部８０とカバー部８２とを有する。本体部８０は、概して長手形状の板厚の部材であり、上下方向に延びる姿勢で立設されている。その本体部８０の厚さ方向における側面には、流路８４が形成されている。流路８４は、供給路８６と屈曲路８８と排出路９０とによって構成されている。供給路８６は、本体部８０の長手方向と直行する方向、所謂、短手方向における一端部側において、長手方向、つまり、上下方向に延びるように形成されている。供給路８６の上端部は、本体部８０の上端面に開口しており、下端部は、本体部８０の下端面に開口せず、本体部８０の下端面の直前で留まっている。

また、屈曲路８８は、一端部において供給路８６の下端に連結され、短手方向において供給路８６から離れる方向に延び出している。そして、その延び出す側の端部は、本体部８０の側面に至る前に、上方に向かって僅かに屈曲し、再度、短手方向において供給路８６に接近する方向に延び出している。さらに、その延び出す側の端部は、供給路８６に至る前に、上方に向かって僅かに屈曲し、再度、短手方向において供給路８６から離間する方向に延び出している。このように、屈曲路８８は、本体部８０の下端部から上方に向かって、短手方向における供給路８６への接近・離間を繰り返すように、屈曲されている。つまり、屈曲路８８は、下方から上方に向かって、左右方向に幾重にも積層された状態で屈曲されている。なお、左右方向に幾重にも屈曲される屈曲路８８は、薄いリブ９２により区画されており、そのリブ９２の厚さは１ｍｍ程度とされている。

なお、屈曲路８８の他端部は、本体部８０の長手方向、つまり、上下方向における中央部より僅か下方に位置しており、本体部８０の短手方向において供給路８６の反対側の側面の直前で留まっている。つまり、屈曲路８８は、本体部８０の上下方向における中央部より下方の部分において、本体部８０の下方から上方に向かって、幾重にも屈曲された状態で形成されている。また、排出路９０は、短手方向における供給路８６の反対側において、上下方向に延びるように形成されている。そして、排出路９０の上端部は、本体部８０の上端面に開口しており、下端部は、屈曲路８８の他端部に連結されている。これにより、供給路８６と屈曲路８８と排出路９０とが連結され、流路８４が構成されている。なお、本体部８０の上端面への供給路８６の開口に供給側ジョイント９６が連結され、本体部８０の上端面への排出路９０の開口に排出側ジョイント９８が連結されている。

また、ヒートシンク２７，２８のカバー部８２は、板状をなし、本体部８０の流路８４が形成された側面と同寸法とされている。なお、カバー部８２の厚さは薄く、１ｍｍ程度とされている。そして、カバー部８２は、流路８４を塞ぐように、その流路８４が形成された本体部８０の側面に固定されている。ちなみに、ヒートシンク２７，２８は、上述したように、連結された上部ハウジング１９とメインハウジング３０との側面に固定されるが、本体部８０に形成された屈曲路８８が、上下方向において、上部ハウジング１９の側面の下方の部分とメインハウジング３０の側面と一致するように、ヒートシンク２７，２８は連結された上部ハウジング１９とメインハウジング３０との側面に固定されている。つまり、屈曲路８８が形成されているヒートシンク２７，２８の下半分の部分が、上部ハウジング１９の側面の下方の部分とメインハウジング３０の側面に固定されている。なお、図１に示すように、プラズマガス噴出装置１２の保護カバー１７には、切欠部が形成されており、その切欠部からヒートシンク２７，２８が露出している。

また、図２に示すように、1対のヒートシンク２７，２８の供給側ジョイント９６に、供給パイプ１００が連結されている。供給パイプ１００は、一端部において二股に分岐しており、それら二股に分岐した端部が1対のヒートシンク２７，２８の供給側ジョイント９６に連結されている。一方、供給パイプ１００の他端部は分岐しておらず、冷却ガス供給装置（図７参照）１０２に接続されている。冷却ガス供給装置１０２は、室温程度の空気を、冷却ガスとして供給するものであり、供給量を任意に調整することが可能とされている。これにより、1対のヒートシンク２７，２８の各々の内部に、任意の流量（Ｌ／ｍｉｎ）の冷却ガスが供給される。

また、加熱ガス供給装置１４は、図１及び図２に示すように、上記保護カバー１８と、ガス管１１０と、ヒーター１１２と、連結ブロック１１４とを有している。保護カバー１８は、プラズマガス噴出装置１２の放熱板３１を覆うように配設されている。ガス管１１０は、保護カバー１８の内部において、放熱板３１と対向するとともに、上下方向に延びるように配設されている。ガス管１１０は、上端部において、排出パイプ１１６を介して、１対のヒートシンク２７，２８の排出側ジョイント９８に接続されている。排出パイプ１１６は、一端部において二股に分岐しており、それら二股に分岐した端部が1対のヒートシンク２７，２８の排出側ジョイント９８に連結されている。一方、排出パイプ１１６の他端部は分岐しておらず、ガス管１１０の上端に接続されている。これにより、１対のヒートシンク２７，２８から排出されたガスが、ガス管１１０に供給される。なお、ガス管１１０の外周面には、概して円筒状のヒーター１１２が配設されており、ガス管１１０がヒーター１１２によって加熱される。これにより、ヒートシンク２７，２８からガス管１１０に供給されたガスが加熱される。

連結ブロック１１４は、ガス管１１０の下端に連結されるとともに、下部カバー２２のＹ方向での加熱ガス供給装置１４側の側面に固定されている。連結ブロック１１４には、図５に示すように、概してＬ字型に屈曲した連通路１２０が形成されており、連通路１２０の一端部は、連結ブロック１１４の上面に開口するとともに、連通路１２０の他端部は、Ｙ方向でのプラズマガス噴出装置１２側の側面に開口している。そして、連通路１２０の一端部がガス管１１０の下端に連通し、連通路１２０の他端部が、下部カバー２２の貫通穴７２に連通している。これにより、ガス管１１０において加熱されたガスが、下部カバー２２に供給される。

また、制御装置１６は、図７に示すように、コントローラ１３０、複数の駆動回路１３２、制御回路１３４を備えている。複数の駆動回路１３２は、上記電極２４，２６、処理ガス供給装置７７、冷却ガス供給装置１０２、ヒーター１１２に接続されている。コントローラ１３０は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を備え、コンピュータを主体とするものであり、複数の駆動回路１３２に接続されている。これにより、プラズマガス噴出装置１２、加熱ガス供給装置１４の作動が、コントローラ１３０によって制御される。また、コントローラ１３０は、制御回路１３４を介して、表示灯１３６にも接続されている。表示灯１３６は、後に説明するが、被処理体へのプラズマ照射が可能であることを示すものであり、コントローラ１３０によって制御可能に点灯する。

なお、プラズマガス噴出装置１２の加熱ガス供給装置１４が配設されている側面と反対側の側面には、図１及び図２に示すように、固定機構１４０が設けられている。固定機構１４０は、所定の位置に大気圧プラズマ発生装置１０を固定するための機構であり、大気圧プラズマ発生装置１０は、固定機構１４０によって所定の位置に固定されることで、被処理体にプラズマを照射する。

＜大気圧プラズマ発生装置によるプラズマ処理＞
大気圧プラズマ発生装置１０において、プラズマガス噴出装置１２では、上述した構成により、反応室３８の内部で処理ガスがプラズマ化され、ノズルブロック３６の第４ガス流路６６の下端からプラズマガスが噴出される。また、加熱ガス供給装置１４により加熱されたガスが下部カバー２２の内部に供給される。そして、下部カバー２２の貫通穴７０から、プラズマガスが、加熱されたガスとともに噴出され、被処理体がプラズマ処理される。ただし、大気圧プラズマ発生装置１０では、被処理体へのプラズマ処理の前に、プラズマガス噴出装置１２の暖機運転が行われる。これは、プラズマガス噴出装置１２、特に、メインハウジング３０が充分に暖まっていない状態では、反応室３８において処理ガスを好適にプラズマ化することができず、プラズマの発生能力が低いためである。以下に、大気圧プラズマ発生装置１０によるプラズマ処理について、詳しく説明する。

プラズマガス噴出装置１２では、上述したように、被処理体へのプラズマ処理の前に、暖機運転が行われる。暖機運転では、まず、処理ガス供給装置７７によって処理ガスが反応室３８に供給される。この際、処理ガスの単位時間当たりの供給量は、約１０Ｌ／ｍｉｎとされている。また、処理ガスが反応室３８に供給される際に、反応室３８では、１対の電極２４，２６に電圧が印加されており、１対の電極２４，２６間に電流が流れる。これにより、１対の電極２４，２６間に放電が生じ、その放電により、処理ガスがプラズマ化される。この際、放電によって、反応室３８が加熱され、メインハウジング３０が暖められる。そして、メインハウジング３０の温度が所定の温度となる迄に要する時間が設定されており、その設定された時間、継続して、暖機運転が実行される。これにより、メインハウジング３０が所定の温度まで暖機され、プラズマガス噴出装置１２によるプラズマ発生能力が充分に高められる。

なお、プラズマガス噴出装置１２の暖機運転が設定された時間、継続して実行されることで、暖機運転が完了し、コントローラ１３０によって、表示灯１３６が点灯される。表示灯１３６は、上述したように、被処理体へのプラズマ照射が可能であることを示すものであり、作業者は、表示灯１３６の点灯を確認し、プラズマガス噴出装置１２の下部カバー２２の貫通穴７０の下方に、被処理体を設置する。

また、プラズマガス噴出装置１２の暖機運転が完了すると、処理ガス供給装置７７による処理ガスの供給量が増加される。具体的には、処理ガス供給装置７７による処理ガスの単位時間当たりの供給量は、約１０Ｌ／ｍｉｎから約６０Ｌ／ｍｉｎに増加される。なお、電極２４，２６への電圧の印加は、暖機運転完了後も、継続して実行される。この際、電極２４，２６への電圧の印加によって、反応室３８においてプラズマが発生し、その発生したプラズマは、第１ガス流路５０内をＹ方向に向かって流れる。そして、プラズマは、第２ガス流路５２および貫通穴５６内を下方に向かって流れ、凹部６０内に流れ込む。さらに、プラズマは、凹部６０内をＹ方向に向かって流れ、第３ガス流路６２および、第４ガス流路６６内を下方に向かって流れる。これにより、第４ガス流路６６の下端から、プラズマガスが噴出される。

なお、メインハウジング３０は暖機運転により充分に暖められており、反応室３８において処理ガスが好適にプラズマ化されているが、電極２４，２６への電圧の印加が継続して行われることで、反応室３８が過度に加熱される。具体的には、暖機運転により、メインハウジング３０が１００〜１５０℃程度まで暖められるが、暖機運転後の電圧の印加により、メインハウジング３０が２００℃以上に加熱される。このように、メインハウジング３０が２００℃以上に加熱されると、電極２４，２６、反応室の内部などが炭化により劣化する虞がある。このようなことに鑑みて、大気圧プラズマ発生装置１０では、プラズマガス噴出装置１２の暖機運転が完了すると、冷却ガス供給装置１０２によって、冷却ガスが１対のヒートシンク２７，２８に供給される。

ヒートシンク２７，２８に供給された冷却ガスは、ヒートシンク２７，２８内に形成された流路８４を流れることで、ヒートシンク２７，２８が冷却され、そのヒートシンク２７，２８が固定されている上部ハウジング１９およびメインハウジング３０が冷却される。特に、冷却ガスが流される流路８４は、ヒートシンク２７，２８の内部において、幾重にも屈曲された状態で形成され、流路８４の表面積が大きくされている。つまり、流路８４の多層化により、ヒートシンク２７，２８内部での流路８４の表面積が大きくされている。さらに、流路８４は、角部が面取りされており、面取りによって、流路８４の表面積は更に大きくされている。このため、ヒートシンク２７，２８による冷却効果は非常に高くなり、上部ハウジング１９およびメインハウジング３０が効果的に冷却される。また、流路８４の角部の面取りにより、流路８４を流れる冷却ガスの流速が担保され、冷却ガスが整流された状態で流路８４を流れる。これにより、ヒートシンク２７，２８による冷却効果が更に高くされている。

ただし、流路８４に冷却ガスが流され、上部ハウジング１９およびメインハウジング３０が冷却されることで、流路８４を流れる冷却ガスが加温され、ヒートシンク２７，２８による冷却効果が低下する虞がある。このため、上述したように、流路８４の屈曲路８８は、ヒートシンク２７，２８の下半分の領域に形成されており、そのヒートシンク２７，２８の下半分の部分が、上部ハウジング１９の側面の下方の部分とメインハウジング３０の側面に固定されている。このため、反応室３８の熱により高温化するメインハウジング３０および、上部ハウジング１９の下方の部分を、冷却ガスによって効率的に冷却し、冷却により加温された冷却ガスを早急に、ヒートシンク２７，２８の内部から排出することが可能となる。これにより、加温された冷却ガスによる冷却効果の低下を防止することが可能となる。

さらに言えば、ヒートシンク２７，２８では、冷却ガスが、供給路８６を経由してヒートシンク２７，２８の下端部に向かって流れ、その下端部から、屈曲路８８を経由して、左右方向に屈曲しながら、下端部から上方に向かって流れる。そして、ヒートシンク２７，２８の下端部はメインハウジング３０の側面に固定されている。このため、メインハウジング３０等により加温されていない状態の冷却ガス、つまり、最も温度の低い状態の冷却ガスが、メインハウジング３０の反応室３８に接近する方向に向かって流れ、メインハウジング３０を冷却することで加温された状態の冷却ガスが、反応室３８から離間する方向に流れる。これにより、反応室３８の熱により最も加熱されるメインハウジング３０を効果的に冷却するとともに、メインハウジング３０を冷却することで加温された状態の冷却ガスを反応室３８から離間させることで、冷却効果の低下を抑制できる。

また、ヒートシンク２７，２８では、多層化された屈曲路８８を区画するリブ９２の厚さは１ｍｍ程度とされ、流路８４を塞ぐカバー部８２の厚さも１ｍｍ程度されている。このように、比較的薄い部材によって流路８４を区画することで、ヒートシンク２７，２８の内部に熱が留まり難くなり、放熱効果が高くなる。これにより、ヒートシンク２７，２８による冷却効果を高くすることが可能となる。

このように、大気圧プラズマ発生装置１０では、冷却効果の高いヒートシンク２７，２８を用いることで、メインハウジング３０の温度を１００〜１５０℃に維持することが可能とされている。また、ヒートシンク２７，２８には、上述したように、室温程度の温度の空気が、冷却ガスとして供給パイプ１００から供給されるが、ヒートシンク２７，２８においてメインハウジング３０等によって加温されるため、ヒートシンク２７，２８から排出される冷却ガスの温度は、８０〜１００℃となっている。そして、この加温されたガスが、加熱ガス供給装置１４において加熱され、プラズマガス噴出装置１２により噴出されるプラズマとともに、被処理体に向かって噴出される。

具体的には、ヒートシンク２７，２８において加温されたガスは、排出路９０から排出され、排出パイプ１１６を介して、加熱ガス供給装置１４のガス管１１０に供給される。この際、ガス管１１０において、ヒーター１１２によって約７００℃以上に加熱される。その加熱ガスは、ガス管１１０から排出され、連結ブロック１１４の連通路１２０を介して、貫通穴７２から下部カバー２２の内部に流入する。そして、下部カバー２２の内部に流入した加熱ガスが貫通穴７０から噴出される。この際、ノズルブロック３６の第４ガス流路６６の下端から噴出されるプラズマガスが、加熱ガスによって保護される。

詳しくは、従来の大気圧プラズマ発生装置では、プラズマ処理時において、プラズマガスは空気中に噴出され、空気中に噴出されたプラズマガスが被処理体に照射される。この際、プラズマガスは、空気中において、酸素等の活性ガスと反応し、オゾンが発生する。このため、プラズマガスは失活し、適切にプラズマ処理を行うことができない虞がある。一方、大気圧プラズマ発生装置１０では、プラズマガスを噴出するノズルブロック３６が、下部カバー２２により覆われており、下部カバー２２の内部には、加熱ガスが供給されている。これにより、下部カバー２２の貫通穴７０からプラズマガスが噴出される際に、噴出されるプラズマガスの周囲を囲むように、加熱ガスが、プラズマガスとともに噴出される。加熱ガスは、ヒーター１１２により約７００℃以上に加熱されており、貫通穴７０から噴出される加熱ガスは、２５０℃以上となっている。２００℃以上において、オゾンは分解されるため、加熱ガスに囲まれたプラズマガスのオゾン化が防止される。これにより、プラズマガスの失活が防止され、適切にプラズマ処理を行うことが可能となる。さらに、大気圧プラズマ発生装置１０では、２００℃以上の加熱ガスが、プラズマガスとともに、被処理体に向かって噴出されるため、加熱ガスによって被処理体等が加熱され、その加熱された被処理体にプラズマ処理が行われる。これにより、被処理体の反応性が向上し、効果的にプラズマ処理を行うことが可能となる。

このように、大気圧プラズマ発生装置１０では、加熱ガスをプラズマガスとともに噴出することで、適切かつ効果的なプラズマ処理が担保されている。また、大気圧プラズマ発生装置１０では、メインハウジング３０などの冷却に用いられ、加温されたガスが、加熱ガス供給装置１４において、加熱されている。つまり、室温程度のガスがヒートシンク２７，２８に供給され、メインハウジング３０などを冷却することで、８０〜１００℃程度に加温される。そして、その８０〜１００℃のガスが、加熱ガス供給装置１４のヒーター１１２によって、７００℃以上に加熱される。これにより、ガスを加熱するためのエネルギーを低減することが可能となる。

また、大気圧プラズマ発生装置１０では、上述したように、暖機運転完了後に、ヒートシンク２７，２８に冷却ガスが供給され、ヒートシンク２７，２８によるメインハウジング３０などの冷却が開始される。これにより、暖機運転中のメインハウジング３０等の冷却を防止し、適切に暖機運転を行うことが可能となる。さらに、暖機運転の際に反応室３８に供給される処理ガスの単位時間当たりの供給量は、被処理体にプラズマが照射されている際に反応室３８に供給されている処理ガスの単位時間当たりの供給量より少なくされている。このため、被処理体へのプラズマ照射時には、加熱されプラズマ化されたガスが、被処理体に多く照射され、暖機運転時には、加熱されプラズマ化されたガスが、プラズマガス噴出装置１２から噴出され難い。これにより、暖機運転時において、加熱されプラズマ化されたガスの噴出を抑制することが可能となり、効率的に暖機運転を行うことが可能となる。

なお、コントローラ１３０は、図７に示すように、暖機運転部１５０と冷却部１５２と表示灯制御部１５４とを有している。暖機運転部１５０は、プラズマガス噴出装置１２の暖機運転を実行するための機能部である。冷却部１５２は、暖機運転完了後にヒートシンク２７，２８による冷却を開始するための機能部である。表示灯制御部１５４は、暖機運転完了後に、プラズマ処理を開始可能であることを報知するための機能部である。

［第２実施例］
図８に、第２実施例の大気圧プラズマ発生装置１６０を示す。第２実施例の大気圧プラズマ発生装置１６０は、ヒートシンク１６２を除いて、第１実施例の大気圧プラズマ発生装置１０と略同じ構成とされている。このため、ヒートシンク１６２について説明し、その他の構成については、第１実施例の大気圧プラズマ発生装置１０の構成と同じ符号を用いて説明を省略あるいは簡略に行う。

第２実施例の大気圧プラズマ発生装置１６０は、１対のヒートシンク（図では１対のヒートシンク１６２のうちの一方のヒートシンク１６２のみが図示されている）１６２を有している。各ヒートシンク１６２は、ベース部（図示省略）とフィン１６６とにより構成されている。そして、１対のヒートシンク１６２は、ベース部において、メインハウジング３０のＸ方向における両側面に固定されている。また、メインハウジング３０の側面を覆う保護カバー１７には、切欠部が形成されており、その切欠部からヒートシンク１６２のフィン１６６が外部に向かって延び出している。これにより、メインハウジング３０の熱がヒートシンク１６２によって自然放冷される。

なお、大気圧プラズマ発生装置１６０では、加熱ガス供給装置１４のガス管１１０に、冷却ガス供給装置１０２から直接的に、室温程度のガスが供給される。そして、ガス管１１０に供給されたガスは、ヒーター１１２によって、７００℃以上に加熱される。また、メインハウジング３０には、メインハウジング３０の温度を検出する温度センサ（図示省略）が設けられており、温度センサによる検出値がコントローラ１３０に入力される。

このような構造の大気圧プラズマ発生装置１６０においても、第１実施例の大気圧プラズマ発生装置１０と同様に、暖機運転が行われる。ただし、大気圧プラズマ発生装置１６０では、暖機運転中に、加熱ガス供給装置１４が作動される。詳しくは、大気圧プラズマ発生装置１６０における暖機運転でも、第１実施例の大気圧プラズマ発生装置１０と同様に、処理ガス供給装置７７によって処理ガスが反応室３８に供給される。この際、処理ガスの単位時間当たりの供給量は、約１０Ｌ／ｍｉｎとされている。また、処理ガスが反応室３８に供給される際に、反応室３８では、１対の電極２４，２６に電圧が印加されており、１対の電極２４，２６間に電流が流れる。これにより、１対の電極２４，２６間に放電が生じ、その放電により、処理ガスがプラズマ化される。この際、放電によって、反応室３８が加熱され、メインハウジング３０が暖められる。

また、処理ガスの反応室３８への供給及び、電極２４，２６への電圧の印加と並行して、加熱ガス供給装置１４では、ガス管１１０に冷却ガス供給装置１０２によりガスが供給されるとともに、ヒーター１１２によりガス管１１０が加熱される。この際、ガス管１１０においてガスが７００℃以上に加熱され、その加熱されたガスが下部カバー２２の内部に流される。これにより、下部カバー２２が加熱ガスによって加熱され、下部カバー２２の熱が、アース板３２を介して、メインハウジング３０に伝達する。このように、大気圧プラズマ発生装置１６０では、放電による加熱と、下部カバー２２から伝達される熱とによって、メインハウジング３０が暖められることで、効率的に暖機運転が行われる。

なお、大気圧プラズマ発生装置１６０では、メインハウジング３０の温度が温度センサによって検出されているため、検出されたメインハウジング３０の温度が所定の温度、例えば、１５０℃になった時点で、暖機運転が完了する。そして、暖機運転が完了すると、コントローラ１３０によって、表示灯１３６が点灯される。これにより、作業者は、表示灯１３６の点灯を確認し、プラズマガス噴出装置１２の下部カバー２２の貫通穴７０の下方に、被処理体を設置する。

また、プラズマガス噴出装置１２の暖機運転が完了すると、第１実施例の大気圧プラズマ発生装置１０と同様に、処理ガス供給装置７７による処理ガスの供給量が増加される。具体的には、処理ガス供給装置７７による処理ガスの単位時間当たりの供給量は、約１０Ｌ／ｍｉｎから約６０Ｌ／ｍｉｎに増加される。これにより、多くの量のプラズマガスを、被処理体に照射することが可能となる。なお、大気圧プラズマ発生装置１６０においても、プラズマ照射時に、加熱ガス供給装置１４は作動されており、被処理体に、プラズマガスとともに、加熱ガスが噴出される。これにより、大気圧プラズマ発生装置１６０においても、第１実施例の大気圧プラズマ発生装置１０と同様の効果を奏することが可能となる。

なお、被処理体へのプラズマ照射が、停止される場合であっても、その停止時間が長時間でない限り、停止時間において、上記暖機運転を実行することが好ましい。このように、停止時間において、上記暖機運転を実行することで、直ぐにプラズマ照射を再開することが可能となる。また、停止時間が短い場合、例えば、数１０秒程度の停止時間である場合には、処理ガス供給装置７７による処理ガスの供給及び、電極２４，２６への電圧の印加を行わずに、加熱ガス供給装置１４による加熱ガスの噴出のみを実行してもよい。つまり、比較的短い停止時間であれば、加熱ガス供給装置１４による加熱ガスの噴出のみで、プラズマガス噴出装置１２の暖機状態を維持することが可能である。

ちなみに、上記実施例において、大気圧プラズマ発生装置１０は、プラズマ発生装置の一例である。加熱ガス供給装置１４は、噴出装置の一例である。ヒートシンク２７，２８は、冷却部の一例である。メインハウジング３０は、本体部の一例である。反応室３８は、反応室の一例である。第４ガス流路６６は、噴出口の一例である。固定機構１４０は、取付部の一例である。

なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した種々の態様で実施することが可能である。具体的には、例えば、上記実施例では、左右方向に幾重にも屈曲された状態の流路８４がヒートシンク２７，２８の本体部８０に形成されているが、図９に示すように、上下方向に幾重にも屈曲された状態の流路１７０をヒートシンク２７，２８の本体部８０に形成してもよい。また、流路８４および、流路１７０は本体部８０の下半分の領域に形成されているが、本体部８０の全面に流路を形成してもよい。

また、上記第１実施例では、上部ハウジング１９及びメインハウジング３０の側面に固定されたヒートシンク２７，２８の内部に、流路８４が形成されているが、メインハウジング３０等に流路を形成してもよい。これにより、メインハウジング３０等を直接的に冷却することが可能となる。また、流路には、気体に限られず、液体を流してもよい。

１０：大気圧プラズマ発生装置（プラズマ発生装置） １４：加熱ガス供給装置（噴出装置） ２７：ヒートシンク（冷却部） ２８：ヒートシンク（冷却部） ３０：メインハウジング（本体部） ３８：反応室 ６６：第４ガス流路（噴出口） １４０：固定機構（取付部）

Claims (5)

1. 放電により処理ガスをプラズマ化させる反応室が形成された本体部と、
   流路が形成され、その流路を流れる流体により前記本体部を冷却する冷却部と、
   前記本体部に形成され、前記反応室においてプラズマ化されたプラズマガスを噴出させるための噴出口と、
   前記冷却部において前記本体部の冷却に用いられた流体を加熱し、その加熱した流体を、前記噴出口から噴出されたプラズマガスに対して噴出する噴出装置と
   を備えることを特徴とするプラズマ発生装置。
2. 前記流路が、
   流体が前記反応室に接近する方向に向かって流れた後に、前記反応室から離間する方向に流れるように形成されたことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生装置。
3. 前記本体部が、直方体形状をなし、
   その直方体形状の本体部の４つの側面のうちの１の側面に、前記噴出装置が配設され、
   前記１の側面と対向する側面に、前記プラズマ発生装置を所定の位置に取り付けるための取付部が配設され、
   前記４つの側面のうちの残りの２つの側面に、１対の前記冷却部が配設されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプラズマ発生装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載のプラズマ発生装置を用いて被処理体にプラズマを照射するプラズマ照射方法であって、
   前記反応室において放電により処理ガスをプラズマ化させることで、前記本体部を暖機する暖機工程と、
   前記暖機工程において前記本体部が暖機された後に、被処理体にプラズマを照射する照射工程と、
   前記暖機工程において前記本体部が暖機された後に、前記冷却部による前記本体部の冷却を開始する冷却工程と
   を含むことを特徴とするプラズマ照射方法。
5. 前記暖機工程において前記反応室に流される処理ガスの単位時間当たりの流量が、前記照射工程において前記反応室に流される処理ガスの単位時間当たりの流量より少ないことを特徴とする請求項４に記載のプラズマ照射方法。

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