JP2005288398A - Surface treatment method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は表面処理方法に係り、特にプラズマを用いて被処理物表面の洗浄や殺菌を行う表面処理方法に関する。 The present invention relates to a surface treatment method, and more particularly to a surface treatment method for cleaning and sterilizing the surface of an object to be processed using plasma.
プラズマは、食品が包装される容器等の被処理物の洗浄や殺菌等に利用されている。そして、このような技術を開示したものとして特許文献1が挙げられる。特許文献1に開示された装置は、大気圧中において低温プラズマを生成する大気圧低温プラズマ発生手段を有し、当該発生手段の放電電極に高周波電力を供給して殺菌性物質を含む混合ガスからプラズマ活性種を生成し、このプラズマ活性種が容器内面に吹き付けられて、容器が殺菌されるものである。
ところで、高電圧放電を利用してプラズマを生成する場合、大気中で放電させると、人体に悪影響を及ぼすオゾンを発生する問題点がある。また大気中でアーク放電させるためには電極間に大電流を印加しなければならず、極めて多くの電力消費と大型の設備が必要となり、装置を維持管理するコストが高くなる問題点がある。さらに電極間に大電流を印加してプラズマを生成すると熱が発生するので、プラズマのエネルギーが損失する問題点がある。 By the way, when plasma is generated using high-voltage discharge, there is a problem that ozone is adversely affected if discharged in the atmosphere. Further, in order to perform arc discharge in the atmosphere, a large current must be applied between the electrodes, so that a large amount of power consumption and large-scale equipment are required, and there is a problem that the cost for maintaining and managing the apparatus becomes high. Furthermore, if plasma is generated by applying a large current between the electrodes, heat is generated, which causes a problem of loss of plasma energy.
また特許文献1に開示された大気圧低温プラズマ発生手段では、アーク放電への移行を防ぐために外側電極の放電領域側に誘電体を有するものがより好ましいとされているので、アーク放電を利用してプラズマを生成することを前提とした装置ではない。 In addition, in the atmospheric pressure low temperature plasma generation means disclosed in Patent Document 1, it is preferable that a dielectric is provided on the discharge region side of the outer electrode in order to prevent transition to arc discharge. Therefore, it is not an apparatus premised on generating plasma.
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、プラズマを用いて被処理物の洗浄処理や殺菌処理を行う表面処理方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a surface treatment method for performing a cleaning process and a sterilization process on an object to be processed using plasma.
上記目的を達成するために、本発明に係る表面処理方法は、円筒電極内に気体を導入し、前記円筒電極の中心部に配置した中心電極の周囲に、局所的アークにより生成したプラズマが前記円筒電極に達しないプラズマ流を生成して、被処理物に照射することを特徴としている。 In order to achieve the above object, in the surface treatment method according to the present invention, a gas is introduced into a cylindrical electrode, and plasma generated by a local arc is generated around the central electrode arranged at the center of the cylindrical electrode. A plasma flow that does not reach the cylindrical electrode is generated and irradiated to the object to be processed.
プラズマ生成装置に円筒電極と中心電極とを設け、これらの電極に供給される電力(電流)を調整すると、中心電極に電界を集中させることができる。これにより装置が大気中に置かれたとしても、中心電極の近傍において局所的にアーク放電させることができる。そして装置に供給されたガス流によって、生成されたプラズマを装置から噴出させることができる。
したがって食品容器等の被処理物が、プラズマ生成装置から噴出されるプラズマに曝されることによって、被処理物の表面に付いた汚染物の洗浄や除菌を行うことができる。
When a cylindrical electrode and a center electrode are provided in the plasma generator and the electric power (current) supplied to these electrodes is adjusted, the electric field can be concentrated on the center electrode. As a result, even when the apparatus is placed in the atmosphere, arc discharge can be locally performed in the vicinity of the center electrode. The generated plasma can be ejected from the apparatus by the gas flow supplied to the apparatus.
Accordingly, the object to be processed such as a food container is exposed to the plasma ejected from the plasma generating apparatus, whereby the contaminants attached to the surface of the object to be processed can be cleaned and sterilized.
以下に、本発明に係る表面処理方法の好ましい実施の形態について説明する。まず表面処理に用いられるプラズマ生成装置の好ましい実施の形態について説明する。図1にプラズマ生成装置の概略断面図を示す。プラズマ生成装置10は円筒電極12を有し、この円筒電極12の一方の開口12a側に絶縁されたケーシング14が設けられている。このケーシング14は絶縁パイプ等を用いればよく、この絶縁パイプの円筒電極12と反対側の端部を絶縁パイプと同一材料で封止すればよい。この絶縁パイプには、例えば石英等のガラスやアクリル材等を用いればよい。
The preferred embodiments of the surface treatment method according to the present invention will be described below. First, a preferred embodiment of a plasma generation apparatus used for surface treatment will be described. FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a plasma generating apparatus. The
またケーシング14にはガス供給部16が設けられ、このガス供給部16からプラズマを生成するためのガス、例えば空気や酸素等が円筒電極12の内部に供給される。そして空気が供給される場合、ガス供給部16は流量調整手段(不図示)を備えたポンプ18を有し、このポンプ18により円筒電極12の内部に空気が供給される。また酸素が供給される場合、ガス供給部16は酸素を封入した高圧ボンベと、この高圧ボンベとケーシング14とを接続する供給管と、この供給管に設けられた酸素の流量調整手段とを有し、この流量調整手段により所定の流量に調整された酸素が円筒電極12の内部に供給される。なお図1に示したガス供給部16は、空気が供給される場合の形態を示している。
The
前記円筒電極12の内部、例えば円筒電極12の中心軸付近に中心電極20が設けられている。この中心電極20は円筒電極12に比べて略点状となればよい。すなわち中心電極20は円筒電極12の長さに比べて短く、また円筒電極12の内径に比べて小さいものであり、形状は円板、球形、立方体、直方体、円筒(円柱)形等であればよい。このような中心電極20は金属棒22の一端と接続され、この金属棒22の他端側はケーシング14の側面を貫通して設けられている。すなわち金属棒22はケーシング14の側面で支持され、前記一端に設けられた中心電極20が円筒電極12の略中心軸上に保持されている。そして金属棒22の側面には、金属棒22の他端側を除いて絶縁管24が設けられ、円筒電極12とケーシング14との内部において金属棒22は絶縁されている。また電力を供給するための電源26が円筒電極12と金属棒22とに接続され、中心電極20は金属棒22を介して電源26に接続されている。この電源26には、例えば定電流電源や高周波電源を用いればよく、高周波電源の場合はマッチングボックスが電源26と電極との間に接続される。
A
そして円筒電極12には、装置10内に供給されたガスを円筒電極12内で螺旋状に回転させるツバ28が設けられている。このツバ28は、円筒電極12の内側面において、中心電極20よりもガス流の上流側に設けられている。このツバ28によってガス自身が円筒電極12内で螺旋状に回転する。またツバ28を設けないで、ガス供給部16からのガスをケーシング14内に斜めに注入させることで、ガスをケーシング14の壁に沿うように螺旋状に回転させることができる。これらの作用によって、噴出するプラズマを空間的に均一化できる。
The
次に、プラズマ生成装置10の作用について説明する。なお、ここでは供給されるガスとして空気を用いた形態について説明するが、酸素を用いる場合も、以下に説明する作用と同様になる。まず所定流量の空気がガス供給部16のポンプ18を用いてケーシング14の内部に供給され、供給された空気は円筒電極12の他方の開口12b側に向かって流れる。空気は円筒電極12内に入ると、螺旋状に回転しながら流れる。そして電力を円筒電極12と中心電極20とに電源26から供給して、電界を円筒電極12と中心電極20との間に発生させる。この電界は中心電極20の近傍において強く、円筒電極12の近傍において弱くなるように、電気力線密度が調整される。すなわち円筒電極12を用いるので円筒効果が生じるとともに、中心電極20を用いるので針効果が生じて、強電界が中心電極20の近傍に発生される。そして、この強電界によってアーク放電が円筒電極12と中心電極20との間、すなわち中心電極20の近傍に、局所的に得られるようになる。なお局所的なアーク放電の容量は放電電流によって調整される。
Next, the operation of the
この局所的に得られるアーク放電について、さらに詳しく説明すると次のようになる。なお、この説明では簡単化のために、同軸上に円筒電極と棒電極とを設けた形態で説明するが、この形態と同様に本実施の形態も説明できる。図2にアーク放電を説明するための図を示す。円筒電極30の中心軸から棒電極32の外周までの距離をaとし、前記軸から円筒電極30の内周までの距離をbとし、生成されたプラズマの前記軸から外周までの距離(アーク放電領域の半径)をcとする。また前記軸から棒電極32と円筒電極30との間における任意の点Rまでの距離をrとする。そして棒電極32と円筒電極30と間の電位差をVとすると、点Rにおける電界Eは数式1により表される。
そしてアーク放電領域のプラズマは、装置10の内部に供給された空気の流れによって円筒電極12の他方の開口12b側から噴出され、小電力の大容量プラズマトーチ(プラズマ流)が形成される。このプラズマトーチは、空気の流量によって、円筒電極12の内側面に達することがない。プラズマの噴出される距離は、供給される空気の流量によって調整されるので、流量を小さくすると噴出距離は短くなり、流量を大きくすると噴出距離が長くなる。またプラズマの生成量は円筒電極12と中心電極20との間の放電電流によって制御されるので、放電電流を小さくすると生成量は少なくなり、放電電流を大きくすると生成量は多くなる。
Then, the plasma in the arc discharge region is ejected from the
そして、このようなプラズマ生成装置10を大気中におき、電源26に小電力のインバータネオトランス(9kVA、28mA)を用い、円筒電極12を内径8mm、長さ20mmとし、中心電極20を直径3mm、厚さ2mmの円板状とすると、放電の電圧−電流特性は図3に示すようになる。プラズマ生成装置10は電流制限を行って、アーク放電へ移行する領域、すなわち放電電流が28mAにおいて局所的なアーク放電を得ている。局所的なアーク放電は、放電電圧が2.6〜3kVでありアーク放電(数十V)に比べて高いが、放電電流が28mAでありアーク放電(10A以上)に比べて低いという特徴を有する。そして前述の条件のとき、プラズマ生成装置10から噴出されたプラズマトーチは、直径10mm、長さ約10mmであった。なおプラズマトーチの長さは、装置10の内部に供給されるガス流量によって調整することができる。
Then, such a
次に、このようなプラズマ生成装置10を用いた表面処理方法について説明する。プラズマ生成装置10を用いて被処理物、例えば食品が包装される容器の洗浄や殺菌を行うには、プラズマ生成装置10から噴出されるプラズマに前記容器が曝されるようにすればよい。すなわち、例えばプラズマ生成装置10を下方に向けてプラズマを下方に噴出させるようにし、容器をプラズマ生成装置10の下方においてプラズマに曝される距離を保って水平方向に移動させればよい。すると容器はプラズマ生成装置10の下方を通過するときにプラズマに曝されて、プラズマにより容器表面を洗浄および除菌することができる。そして洗浄面積が広い場合は、プラズマ生成装置10を複数並べて配設し、全体としてプラズマが噴出される面積を広くすればよい。図4にプラズマ生成装置10を複数並べて配設したときの説明図を示す。図4は円筒電極12の他方の開口側12b、すなわちプラズマが噴出される側から見たものである。そしてプラズマ生成装置10はリング状に複数並べて配設されてもよく(図4(a)参照)、密接させて配設されてもよい(図4(b)参照)。なお1つのプラズマ生成装置10で使用される電力は極めて小さいので、プラズマ生成装置10を複数設けたとしても、電力の消費量は小さくて済む。
Next, a surface treatment method using such a
このように表面処理方法は、プラズマ生成装置10を用いて被処理物の洗浄や殺菌、例えば食品容器等の洗浄や殺菌を行うことができる。したがって被処理物の表面に印字やシールを貼付する前段階等において、被処理物の表面をプラズマに曝すと、被処理物に付いた汚染物を除去することができ、接着の効力を増加できる。同様に、食品容器をプラズマに曝すと、食品容器の表面に付いた雑菌等を殺菌することができる。そしてプラズマは低温なので、高温に弱い精密機器の洗浄にも用いることができる。さらにプラズマ生成装置10は大気中でプラズマを生成できるので、大気中で被処理物の洗浄や殺菌を行うことができる。
Thus, the surface treatment method can perform cleaning and sterilization of an object to be processed, for example, cleaning and sterilization of food containers and the like, using the
また表面処理方法は、プラズマ生成装置10を大気中で稼動できるので、容易に洗浄や殺菌を行うことができる。さらに表面処理方法は、真空装置等を必要としないので、真空中でプラズマを生成して洗浄や殺菌を行う場合に比べて低コストで洗浄や殺菌を行うことができる。なおアーク放電ではオゾンの発生は少ないので、オゾン除去を考慮する必要がなく、プラズマを生成するガスに空気等を用いることができる。
Moreover, since the
またプラズマ生成装置10は円筒電極12と中心電極20とを用いるとともに、放電電流を制限したので、電極間全体でアーク放電せず、中心電極20近傍において局所的にアーク放電させることができる。すなわちプラズマ生成装置10は中心電極20近傍に電界を集中することができるので、大気中(大気圧中)においても局所的にアーク放電させることができる。そして局所的にアーク放電させるので、放電を生じさせる電力は極めて小さくて済み、装置10を低コストで稼動できる。また電極の破損を防ぐこともできる。なおプラズマ生成装置10を真空中に入れれば、真空中においてもプラズマを生成できる。
In addition, since the
また円筒電極12内にツバ28を設けることにより、円筒電極12の径方向において均一なプラズマを生成できる。さらにプラズマ生成装置10は、部品を複雑に組み合わせる必要が無く、簡単な構造のため軽量化でき、さらに低価格で作製できる。
Further, by providing the
なおプラズマ生成装置10に水素、窒素、酸素、塩素またはアルゴン等のガスを供給すれば、これらのプラズマを生成することができる。そしてプラズマ生成装置10は、これらのガスを用いて薄膜の成膜、スパッタリング、エッチング等に利用できる。
In addition, if gas, such as hydrogen, nitrogen, oxygen, chlorine, or argon, is supplied to the
10………プラズマ生成装置、12………円筒電極、14………ケーシング、16………ガス供給部、20………中心電極、26………電源、28………ツバ。
DESCRIPTION OF
Claims (1)
A gas is introduced into the cylindrical electrode, and a plasma flow is generated around the central electrode arranged at the center of the cylindrical electrode so that the plasma generated by the local arc does not reach the cylindrical electrode. A surface treatment method comprising:
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