JP2009054359A - Plasma generating device and plasma generation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、プラズマ発生装置およびプラズマ発生方法に関する。 The present invention relates to a plasma generation apparatus and a plasma generation method.
近年、自動車産業では、環境問題への対策や燃料消費率の改善が強く求められている。この背景として、世界規模でその影響が懸念されている地球温暖化問題が挙げられる。また、近年経済成長著しい中国をはじめとする東アジア地域のエネルギー需要の増加と、自動車の排気ガスによる大気汚染の増加が、いずれも深刻な問題となっている。また、原油価格の高騰により燃料となるガソリンの価格が上昇するなど、消費者の側でも燃料消費率への関心が高まっている。 In recent years, the automobile industry has been strongly required to cope with environmental problems and improve the fuel consumption rate. One reason for this is the global warming issue, which is concerned about its impact on a global scale. In recent years, the demand for energy in East Asia including China, where economic growth has been remarkable, and the increase in air pollution caused by automobile exhaust gas are both serious problems. Consumers are also increasingly interested in the fuel consumption rate, as the price of gasoline, fuel, has risen due to soaring crude oil prices.
これらの問題に対し、燃料電池自動車などの次世代型の自動車が解決案として挙げられるが、それらは未だに普及しておらず、既存の内燃機関の燃焼効率改善が主流となっている。その代表的な方法として希薄燃焼が挙げられ、更なる希薄燃焼技術として高化学反応性を有するプラズマを用いた着火および燃焼促進が期待されている。 To solve these problems, next-generation vehicles such as fuel cell vehicles can be cited as solutions, but they are not yet widespread, and improvement in combustion efficiency of existing internal combustion engines has become the mainstream. A typical method is lean combustion, and further lean combustion technology is expected to ignite and promote combustion using plasma having high chemical reactivity.
これまでの研究により、空気プラズマ流に含まれるO，NO等の各種ラジカルが、燃焼促進に寄与することが明らかとなっている（例えば、非特許文献１または２参照）。また、O3の吸気への添加により、天然ガスを用いた内燃機関の燃焼効率が増加することが報告されている（例えば、非特許文献３参照）。 Previous studies have revealed that various radicals such as O and NO contained in the air plasma flow contribute to combustion promotion (see, for example, Non-Patent Document 1 or 2). In addition, it has been reported that the combustion efficiency of an internal combustion engine using natural gas is increased by adding O 3 to the intake air (see, for example, Non-Patent Document 3).
従来、このような空気プラズマ流を発生させることのできるプラズマ発生装置として、電極に常時一定の電圧を印可してアーク放電を発生させるアーク放電トーチがある（例えば、特許文献１、２または３参照）。しかし、このアーク放電トーチでは、プラズマ流のガス温度が１００００Ｋ程度と高温であり、複雑な冷却系統を必要とするため、装置が大型になるという問題があった。また、消費電力も１〜５ｋＷと大きいという問題もあった。 Conventionally, as a plasma generator capable of generating such an air plasma flow, there is an arc discharge torch that generates an arc discharge by applying a constant voltage to an electrode at all times (see, for example, Patent Documents 1, 2, or 3). ). However, this arc discharge torch has a problem that the gas temperature of the plasma flow is as high as about 10,000 K and a complicated cooling system is required, so that the apparatus becomes large. Moreover, there also existed a problem that power consumption was as large as 1-5 kW.
このような問題を解決するために、ＲＦ電源を用いた大気圧プラズマ放電生成装置が開発されている（例えば、特許文献４参照）。ＲＦ電源を用いた装置によれば、プラズマ流のガス温度を５００Ｋ程度にまで下げることができ、消費電力も３００Ｗ程度まで小さくすることができる。 In order to solve such a problem, an atmospheric pressure plasma discharge generation apparatus using an RF power source has been developed (see, for example, Patent Document 4). According to the apparatus using the RF power source, the gas temperature of the plasma flow can be lowered to about 500K, and the power consumption can be reduced to about 300W.
しかしながら、特許文献４に記載のＲＦ電源を用いたプラズマ発生装置により発生させたプラズマ流を燃焼促進等に利用するには、ガス温度５００Ｋ、消費電力３００Ｗでは実用的ではなく、実用に供するためには、さらに低温かつ低消費電力である必要があるという課題があった。 However, in order to use the plasma flow generated by the plasma generator using the RF power source described in Patent Document 4 for combustion promotion, etc., it is not practical at a gas temperature of 500 K and power consumption of 300 W. However, there is a problem that it is necessary to have lower temperature and lower power consumption.
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、プラズマ流のガス温度が低く、消費電力が小さいプラズマ発生装置およびプラズマ発生方法を提供することを目的としている。 The present invention has been made paying attention to such a problem, and an object of the present invention is to provide a plasma generation apparatus and a plasma generation method with low plasma gas temperature and low power consumption.
上記目的を達成するために、本発明に係るプラズマ発生装置は、プラズマトーチと空気供給部と電源とを有し、前記プラズマトーチは互いに間隔を開けて設けられた第１電極と第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた誘電体とを有し、前記空気供給部は前記第１電極と前記第２電極との間に空気を供給するよう設けられ、前記電源は誘電体バリア放電を発生させて前記空気供給部から供給された空気をプラズマ化可能に、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加するよう設けられていることを、特徴とする。 In order to achieve the above object, a plasma generator according to the present invention includes a plasma torch, an air supply unit, and a power source, and the plasma torch includes a first electrode and a second electrode that are spaced apart from each other. A dielectric provided between the first electrode and the second electrode, and the air supply unit is provided to supply air between the first electrode and the second electrode, The power source is provided to apply a voltage between the first electrode and the second electrode so that dielectric air can be generated and the air supplied from the air supply unit can be turned into plasma. , Feature.
本発明に係るプラズマ発生方法は、互いに間隔を開けて設けられ、間に誘電体を有するプラズマトーチの第１電極と第２電極との間に空気を供給し、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加して誘電体バリア放電を発生させ、前記空気をプラズマ化することを、特徴とする。 In the plasma generation method according to the present invention, air is supplied between a first electrode and a second electrode of a plasma torch which are provided with a gap therebetween and have a dielectric therebetween, and the first electrode and the second electrode are supplied. A voltage is applied between the electrodes to generate a dielectric barrier discharge, and the air is turned into plasma.
本発明に係るプラズマ発生装置およびプラズマ発生方法は、第１電極と第２電極との間に交流電圧などの電圧を印加することにより、誘電体バリア放電を発生させることができる。誘電体バリア放電を発生させることにより、第１電極と第２電極との間に供給した空気をプラズマ化して、空気プラズマ流を発生させることができる。このとき、誘電体を含む電極系を一種のコンデンサとみなすことができるため、常にパルス的な放電を維持することにより、ジュール加熱を抑制することができ、発生するプラズマ流のガス温度を低く抑えることができる。このため、複雑な冷却構造が不要であり、装置の小型化が可能である。 The plasma generator and the plasma generation method according to the present invention can generate a dielectric barrier discharge by applying a voltage such as an alternating voltage between the first electrode and the second electrode. By generating the dielectric barrier discharge, the air supplied between the first electrode and the second electrode can be turned into plasma and an air plasma flow can be generated. At this time, since the electrode system including the dielectric can be regarded as a kind of capacitor, Joule heating can be suppressed by always maintaining a pulsed discharge, and the gas temperature of the generated plasma flow can be kept low. be able to. For this reason, a complicated cooling structure is unnecessary, and the apparatus can be miniaturized.
また、誘電体により放電形態がアークに移行しにくく、第１電極および第２電極の損耗を防ぐことができる。このため、安定した放電が可能であり、安定してプラズマ流を発生させることができる。空気をプラズマ化することにより、オゾン、窒化酸化物、高反応性ラジカル等を生成することができ、燃焼促進や殺菌等に利用することができる。周波数または電圧を制御することにより、消費電力を調節可能であり、より小さい消費電力で空気プラズマ流を発生させることができる。 In addition, the discharge form is not easily transferred to the arc by the dielectric, and wear of the first electrode and the second electrode can be prevented. For this reason, stable discharge is possible, and a plasma flow can be generated stably. By converting air into plasma, ozone, nitride oxide, highly reactive radicals, and the like can be generated, which can be used for combustion promotion, sterilization, and the like. By controlling the frequency or voltage, the power consumption can be adjusted, and the air plasma flow can be generated with a smaller power consumption.
本発明に係るプラズマ発生装置で、前記第１電極は円筒状を成し、接地されており、前記誘電体は円筒状を成し、前記第１電極の内面に沿って設けられ、前記第２電極は前記誘電体の内部に設けられていることが好ましい。この場合、小型でありながら、電極面積を広くすることができる。また、第２電極は、棒状であることが好ましい。この場合、第１電極と第２電極との間に強電界が発生するため、円周方向に沿って膜状に一様なプラズマを発生させることができ、そのプラズマ体積を大きくすることができる。 In the plasma generator according to the present invention, the first electrode has a cylindrical shape and is grounded, the dielectric has a cylindrical shape, is provided along the inner surface of the first electrode, and the second electrode The electrode is preferably provided inside the dielectric. In this case, the electrode area can be increased while being small. The second electrode is preferably rod-shaped. In this case, since a strong electric field is generated between the first electrode and the second electrode, uniform plasma can be generated in a film shape along the circumferential direction, and the plasma volume can be increased. .
本発明に係るプラズマ発生装置で、前記第１電極は、中心軸に沿って厚みを貫通して設けられた複数のスリットを有していることが好ましい。この場合、スリットの端部に電界が集中するため、電子衝突によるラジカル発生割合を高め、ラジカル生成量を増加させることができる。誘電体は、透明な石英管から成ることが好ましい。この場合、第１電極のスリットを通して、発生したプラズマを目視で確認することができる。 In the plasma generating apparatus according to the present invention, it is preferable that the first electrode has a plurality of slits provided through the thickness along the central axis. In this case, since the electric field concentrates at the end of the slit, it is possible to increase the radical generation rate due to electron collision and increase the amount of radical generation. The dielectric is preferably made of a transparent quartz tube. In this case, the generated plasma can be visually confirmed through the slit of the first electrode.
本発明に係るプラズマ発生装置で、前記プラズマトーチは、前記誘電体の先端が前記第１電極の先端および前記第２電極の先端よりもプラズマ噴出方向に突出していることが好ましい。この場合、第１電極と第２電極との間でアークが発生するのを防ぐ効果を高めることができる。また、第２電極と、プラズマ噴出方向にある他の金属等との間でアークが発生するのを防ぐこともできる。 In the plasma generating apparatus according to the present invention, it is preferable that the tip of the dielectric protrudes in the plasma ejection direction from the tip of the first electrode and the tip of the second electrode of the plasma torch. In this case, the effect which prevents that an arc generate | occur | produces between a 1st electrode and a 2nd electrode can be heightened. In addition, it is possible to prevent an arc from being generated between the second electrode and another metal or the like in the plasma ejection direction.
本発明に係るプラズマ発生装置で、前記プラズマトーチは、前記第１電極および前記第２電極のうち少なくともいずれか一つが着脱可能に設けられていてもよい。この場合、異なるサイズの電極に交換することができ、電極面積や電極間距離の調整が容易である。例えば、電極間距離を狭めることにより、オゾン等の生成濃度を高めることができる。また、第１電極をスリットの大きさが異なる電極に交換することにより、電極面積を調整することができる。誘電体も、着脱可能であってもよい。また、第１電極、第２電極および誘電体は、取付位置を調整可能であってもよい。 In the plasma generating apparatus according to the present invention, the plasma torch may be provided so that at least one of the first electrode and the second electrode is detachable. In this case, the electrodes can be replaced with electrodes of different sizes, and the adjustment of the electrode area and the distance between the electrodes is easy. For example, the production concentration of ozone or the like can be increased by reducing the distance between the electrodes. Moreover, the electrode area can be adjusted by replacing the first electrode with an electrode having a different slit size. The dielectric may also be removable. Further, the mounting positions of the first electrode, the second electrode, and the dielectric may be adjustable.
本発明によれば、プラズマ流のガス温度が低く、消費電力が小さいプラズマ発生装置およびプラズマ発生方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a plasma generating apparatus and a plasma generating method with low gas temperature of plasma flow and low power consumption.
以下、図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図１７は、本発明の実施の形態のプラズマ発生装置およびプラズマ発生方法を示している。
図１および図２に示すように、プラズマ発生装置１０は、プラズマトーチ１１と空気供給部１２と電源１３とを有している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 to 17 show a plasma generation apparatus and a plasma generation method according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIGS. 1 and 2, the plasma generator 10 includes a plasma torch 11, an air supply unit 12, and a power source 13.
図２（ａ）に示すように、プラズマトーチ１１は、同軸型で、中心軸に対する回転体形状を成している。プラズマトーチ１１は、先端部１１ａの外径より、後端部１１ｂの外径の方がやや大きく、さらに後端部１１ｂの外径より、中間部１１ｃの外径の方が大きく形成されている。プラズマトーチ１１は、第１電極２１と誘電体２２と第２電極２３と接地端子２４と印加端子２５とガス導入部２６とを有している。 As shown in FIG. 2A, the plasma torch 11 is coaxial and has a rotating body shape with respect to the central axis. The plasma torch 11 is formed such that the outer diameter of the rear end portion 11b is slightly larger than the outer diameter of the front end portion 11a, and the outer diameter of the intermediate portion 11c is larger than the outer diameter of the rear end portion 11b. . The plasma torch 11 includes a first electrode 21, a dielectric 22, a second electrode 23, a ground terminal 24, an application terminal 25, and a gas introduction part 26.
第１電極２１は、銅から成り、細長い円筒状を成している。第１電極２１は、プラズマトーチ１１の先端部１１ａに、中心軸がプラズマトーチ１１の長さ方向に沿うよう、着脱可能に取り付けられている。第１電極２１は、接地されている。図２（ｂ）に示すように、第１電極２１は、中心軸に沿って厚みを貫通して設けられた複数のスリット２１ａを有している。図２（ａ）に示すように、誘電体２２は、細長い円筒状の透明な石英管から成っている。誘電体２２は、外面が第１電極２１の内面に接するよう、第１電極２１の内面に沿って配置されている。誘電体２２は、第１電極２１と同軸で、プラズマトーチ１１の先端部１１ａに直脱可能に取り付けられている。 The first electrode 21 is made of copper and has an elongated cylindrical shape. The first electrode 21 is detachably attached to the distal end portion 11 a of the plasma torch 11 so that the central axis is along the length direction of the plasma torch 11. The first electrode 21 is grounded. As shown in FIG. 2B, the first electrode 21 has a plurality of slits 21a provided through the thickness along the central axis. As shown in FIG. 2A, the dielectric 22 is formed of an elongated cylindrical transparent quartz tube. The dielectric 22 is disposed along the inner surface of the first electrode 21 so that the outer surface is in contact with the inner surface of the first electrode 21. The dielectric 22 is coaxial with the first electrode 21 and is attached to the tip 11a of the plasma torch 11 so as to be directly removable.
第２電極２３は、銅から成り、細長い丸棒状を成している。第２電極２３は、誘電体２２の内径より小さい外径を有し、誘電体２２の内面との間に間隔をあけて、誘電体２２の内部に配置されている。第２電極２３は、第１電極２１および誘電体２２と同軸で、プラズマトーチ１１の先端部１１ａに直脱可能に取り付けられている。プラズマトーチ１１は、誘電体２２の先端が、第１電極２１の先端および第２電極２３の先端よりもプラズマ噴出方向に突出するよう設けられている。 The second electrode 23 is made of copper and has an elongated round bar shape. The second electrode 23 has an outer diameter smaller than the inner diameter of the dielectric 22, and is disposed inside the dielectric 22 with a space between the inner surface of the dielectric 22. The second electrode 23 is coaxial with the first electrode 21 and the dielectric 22 and is attached to the tip end portion 11a of the plasma torch 11 so as to be directly removable. The plasma torch 11 is provided such that the tip of the dielectric 22 protrudes in the plasma ejection direction from the tip of the first electrode 21 and the tip of the second electrode 23.
接地端子２４は、プラズマトーチ１１の中間部１１ｃの側面に、側方に突出するよう設けられている。接地端子２４は、第１電極２１に電気的に接続されている。印加端子２５は、プラズマトーチ１１の後端部１１ｂの後端面に設けられている。印加端子２５は、第２電極２３に電気的に接続されている。 The ground terminal 24 is provided on the side surface of the intermediate portion 11 c of the plasma torch 11 so as to protrude sideways. The ground terminal 24 is electrically connected to the first electrode 21. The application terminal 25 is provided on the rear end surface of the rear end portion 11 b of the plasma torch 11. The application terminal 25 is electrically connected to the second electrode 23.
ガス導入部２６は、中間部１１ｃの後端側に向いた面に突出して設けられたガス接続部２６ａと、ガス接続部２６ａの先端に設けられたガス供給口２６ｂと、誘電体２２と第２電極２３との間に連通して第２電極２３の取付位置付近に設けられたガス噴出口２６ｃと、ガス供給口２６ｂとガス噴出口２６ｃとを連通する連通路２６ｄとを有している。ガス導入部２６は、ガス供給口２６ｂから供給された空気を、連通路２６ｄからガス噴出口２６ｃを通して、誘電体２２と第２電極２３との間に供給可能になっている。 The gas introduction part 26 includes a gas connection part 26a provided to protrude from the surface facing the rear end side of the intermediate part 11c, a gas supply port 26b provided at the front end of the gas connection part 26a, the dielectric 22, A gas ejection port 26c provided near the mounting position of the second electrode 23 in communication with the two electrodes 23, and a communication passage 26d communicating the gas supply port 26b and the gas ejection port 26c are provided. . The gas introduction unit 26 can supply the air supplied from the gas supply port 26b between the dielectric 22 and the second electrode 23 through the gas passage 26c from the communication passage 26d.
なお、具体的な一例では、第１電極２１は、外径が１１ｍｍ、内径が９．３ｍｍ、長さが８７ｍｍである。スリット２１ａは、１２本形成されており、幅が１ｍｍ、長さが３５ｍｍである。誘電体２２は、外径が９．３ｍｍ、内径が７．５ｍｍであり、先端が第１電極２１の先端より１０ｍｍ突出している。第２電極２３は、外径が５．０ｍｍであり、先端が誘電体２２の先端より２０ｍｍ引っ込んでいる。誘電体２２と第２電極２３との間隔は、１．２５ｍｍである。 In a specific example, the first electrode 21 has an outer diameter of 11 mm, an inner diameter of 9.3 mm, and a length of 87 mm. Twelve slits 21a are formed and have a width of 1 mm and a length of 35 mm. The dielectric 22 has an outer diameter of 9.3 mm and an inner diameter of 7.5 mm, and the tip protrudes 10 mm from the tip of the first electrode 21. The second electrode 23 has an outer diameter of 5.0 mm, and the tip is recessed 20 mm from the tip of the dielectric 22. The distance between the dielectric 22 and the second electrode 23 is 1.25 mm.
図１に示すように、空気供給部１２は、圧縮空気が充填されたボンベ２７と、ボンベ２７が排出する空気の量を調整可能に設けられたフローコントローラ２８と、ボンベ２７とプラズマトーチ１１のガス接続部２６ａとを接続する供給管２９とを有している。空気供給部１２は、ボンベ２７から排出する空気の量をフローコントローラ２８により調整して、供給管２９からガス導入部２６を通して、誘電体２２と第２電極２３との間に空気を供給するようになっている。 As shown in FIG. 1, the air supply unit 12 includes a cylinder 27 filled with compressed air, a flow controller 28 that can adjust the amount of air discharged from the cylinder 27, the cylinder 27, and the plasma torch 11. It has the supply pipe | tube 29 which connects the gas connection part 26a. The air supply unit 12 adjusts the amount of air discharged from the cylinder 27 by the flow controller 28 and supplies air between the dielectric 22 and the second electrode 23 through the gas introduction unit 26 from the supply pipe 29. It has become.
図１に示すように、電源１３は、プラズマトーチ１１の接地端子２４および印加端子２５に接続され、第１電極２１および第２電極２３に電気的に接続されている。電源１３は、交直両用高圧アンプリファイア（トレックジャパン社製、製品名「Model 20/20c」）から成り、第１電極２１と第２電極２３との間に交流電圧を印加するようになっている。電源１３は、第１電極２１と第２電極２３との間に交流電圧を印加して誘電体バリア放電を発生させ、空気供給部１２から供給された空気をプラズマ化可能になっている。 As shown in FIG. 1, the power supply 13 is connected to the ground terminal 24 and the application terminal 25 of the plasma torch 11 and is electrically connected to the first electrode 21 and the second electrode 23. The power source 13 is composed of an AC / DC high-voltage amplifier (manufactured by Trek Japan, product name “Model 20 / 20c”), and an AC voltage is applied between the first electrode 21 and the second electrode 23. . The power supply 13 applies an AC voltage between the first electrode 21 and the second electrode 23 to generate a dielectric barrier discharge, and can convert the air supplied from the air supply unit 12 into plasma.
本発明の実施の形態のプラズマ発生方法は、プラズマ発生装置１０により実施される。まず、空気供給部１２からプラズマトーチ１１の誘電体２２と第２電極２３との間、すなわち第１電極２１と第２電極２３との間に空気を供給する。電源１３により、第１電極２１と第２電極２３との間に交流電圧を印加して誘電体バリア放電を発生させる。これにより、第１電極２１と第２電極２３との間に供給された空気をプラズマ化して、空気プラズマ流を発生させることができる。 The plasma generation method according to the embodiment of the present invention is performed by the plasma generator 10. First, air is supplied from the air supply unit 12 between the dielectric 22 of the plasma torch 11 and the second electrode 23, that is, between the first electrode 21 and the second electrode 23. A power supply 13 applies an AC voltage between the first electrode 21 and the second electrode 23 to generate a dielectric barrier discharge. Thereby, the air supplied between the 1st electrode 21 and the 2nd electrode 23 can be turned into plasma, and an air plasma flow can be generated.
このとき、誘電体２２を含む電極系を一種のコンデンサとみなすことができるため、常にパルス的な放電を維持することにより、ジュール加熱を抑制することができ、発生するプラズマ流のガス温度を低く抑えることができる。このため、複雑な冷却構造が不要であり、装置の小型化が可能である。 At this time, since the electrode system including the dielectric 22 can be regarded as a kind of capacitor, Joule heating can be suppressed by always maintaining a pulsed discharge, and the gas temperature of the generated plasma flow can be lowered. Can be suppressed. For this reason, a complicated cooling structure is unnecessary, and the apparatus can be miniaturized.
また、誘電体２２により放電形態がアークに移行しにくく、第１電極２１および第２電極２３の損耗を防ぐことができる。このため、安定した放電が可能であり、安定してプラズマ流を発生させることができる。空気をプラズマ化することにより、オゾン、窒化酸化物、高反応性ラジカル等を生成することができ、燃焼促進や殺菌等に利用することができる。なお、自然界に多量に存在し、小さな消費電力で高濃度のオゾンを発生させることができ、発生したオゾンを加熱等により還元できるよう、作動ガスとして空気を使用している。周波数または電圧を制御することにより、消費電力を調節可能であり、より小さい消費電力で空気プラズマ流を発生させることができる。第１電極２１のスリット２１ａの端部に電界が集中するため、電子衝突によるラジカル発生割合を高め、ラジカル生成量を増加させることができる。 In addition, the dielectric 22 is less likely to change the discharge form to an arc, and the first electrode 21 and the second electrode 23 can be prevented from being worn. For this reason, stable discharge is possible, and a plasma flow can be generated stably. By converting air into plasma, ozone, nitride oxide, highly reactive radicals, and the like can be generated, which can be used for combustion promotion, sterilization, and the like. It should be noted that air is used as a working gas so that it exists in a large amount in nature, can generate high-concentration ozone with low power consumption, and can reduce the generated ozone by heating or the like. By controlling the frequency or voltage, the power consumption can be adjusted, and the air plasma flow can be generated with a smaller power consumption. Since the electric field concentrates on the end of the slit 21a of the first electrode 21, the radical generation rate due to electron collision can be increased and the radical generation amount can be increased.
プラズマ発生装置１０は、第１電極２１および第２電極２３が同軸円筒型であるため、小型でありながら、電極面積を広くすることができる。また、第２電極２３が丸棒状であり、第１電極２１と第２電極２３との間に強電界が発生するため、円周方向に沿って膜状に一様なプラズマを発生させることができ、そのプラズマ体積を大きくすることができる。誘電体２２が透明な石英管から成るため、第１電極２１のスリット２１ａを通して、発生したプラズマを目視で確認することができる。 Since the first electrode 21 and the second electrode 23 have a coaxial cylindrical shape, the plasma generator 10 can be made small, but the electrode area can be widened. In addition, since the second electrode 23 has a round bar shape and a strong electric field is generated between the first electrode 21 and the second electrode 23, uniform plasma can be generated in a film shape along the circumferential direction. And the plasma volume can be increased. Since the dielectric 22 is made of a transparent quartz tube, the generated plasma can be visually confirmed through the slit 21 a of the first electrode 21.
誘電体２２の先端が、第１電極２１の先端および第２電極２３の先端よりもプラズマ噴出方向に突出しているため、第１電極２１と第２電極２３との間でアークが発生するのを防ぐ効果を高めることができる。また、第２電極２３と、プラズマ噴出方向にある他の金属等との間でアークが発生するのを防ぐこともできる。第１電極２１または第２電極２３を異なるサイズの電極に交換することにより、電極面積や電極間距離の調整が容易である。例えば、電極間距離を狭めることにより、オゾン等の生成濃度を高めることができる。また、第１電極２１をスリット２１ａの大きさが異なる電極に交換することにより、電極面積を調整することができる。 Since the tip of the dielectric 22 protrudes in the plasma ejection direction from the tip of the first electrode 21 and the tip of the second electrode 23, an arc is generated between the first electrode 21 and the second electrode 23. The prevention effect can be enhanced. Further, it is possible to prevent an arc from being generated between the second electrode 23 and another metal or the like in the plasma ejection direction. By exchanging the first electrode 21 or the second electrode 23 with an electrode of a different size, it is easy to adjust the electrode area and the inter-electrode distance. For example, the production concentration of ozone or the like can be increased by reducing the distance between the electrodes. Further, the electrode area can be adjusted by replacing the first electrode 21 with an electrode having a different size of the slit 21a.
なお、発生したオゾン、窒化酸化物、高反応性ラジカル等は、燃焼促進、殺菌、滅菌、消臭、漂白、酸化膜形成や窒化膜形成による表面改質などに使用することができる。 The generated ozone, nitride oxide, highly reactive radicals, and the like can be used for combustion promotion, sterilization, sterilization, deodorization, bleaching, surface modification by oxide film formation or nitride film formation, and the like.
以下に、本発明の実施の形態のプラズマ発生装置１０およびプラズマ発生方法により生成した空気プラズマ流に対し、スペクトル分析、質量分析、オゾン濃度測定、二酸化窒素濃度測定、温度測定等の各測定を行い、周波数・印加電圧・ガス流量の各作動条件に対する、各種ラジカル生成量、ラジカル種の輸送特性および熱流動場の変化についての検討を行った。なお、図１に示すように、プラズマ発生装置１０は、真空ポンプ１が接続された圧力容器２の内部にプラズマトーチ１１が配置され、雰囲気圧力を調節可能になっているが、本実施の形態では、圧力容器２の内部は常に大気圧になっている。 Below, each measurement, such as spectrum analysis, mass spectrometry, ozone concentration measurement, nitrogen dioxide concentration measurement, temperature measurement, is performed on the air plasma flow generated by the plasma generator 10 and the plasma generation method of the embodiment of the present invention. The amount of radicals produced, the transport properties of radical species, and changes in the thermal flow field were examined for each operating condition of frequency, applied voltage, and gas flow rate. As shown in FIG. 1, the plasma generator 10 has a plasma torch 11 disposed inside a pressure vessel 2 to which a vacuum pump 1 is connected so that the atmospheric pressure can be adjusted. Then, the inside of the pressure vessel 2 is always at atmospheric pressure.
［空気プラズマ流の発光状態］
電源１３による印加する交流電圧の周波数をｆ=1000Hz，空気供給部１２からの空気の供給量をＱ=6.0×10−３m３/minとし、電源１３による印加電圧Ｖを８ｋＶ〜１８ｋＶまで変化させたときの空気プラズマ流の様子を、スリット２１ａを通して観測した。その結果、印加電圧の増加に伴って、電極間の発光強度が増していると共に、空気プラズマ流の発光部分が下流へ伸張している様子が観測された。
[Light emission state of air plasma flow]
The frequency of the AC voltage applied by the power source 13 is f = 1000 Hz, the amount of air supplied from the air supply unit 12 is Q = 6.0 × 10 −3 m 3 / min, and the voltage V applied by the power source 13 is changed from 8 kV to 18 kV. The state of the air plasma flow at the time of being made was observed through the slit 21a. As a result, it was observed that the emission intensity between the electrodes increased as the applied voltage increased, and the emission part of the air plasma flow extended downstream.
また、ｆ=1000Hz，Ｖ=14kVとし、Ｑを１.0×10−３〜9.0×10−３ｍ３/minまで変化させたときの空気プラズマ流の様子も観測した。その結果、流量の増加による発光部分の伸張は殆ど確認されなかった。これは、流量の増加によって流速が増加し、作動ガスである空気が放電部で得る単位体積当りの電子エネルギーが減少した結果、励起状態に至らなくなったためであると考えられる。 Moreover, the state of the air plasma flow was observed when f = 1000 Hz and V = 14 kV, and Q was changed from 1.0 × 10 −3 to 9.0 × 10 −3 m 3 / min. As a result, almost no extension of the light emitting portion due to the increase in the flow rate was confirmed. This is presumably because the flow velocity increased with the increase in flow rate, and the electronic energy per unit volume obtained by the air as the working gas in the discharge part decreased, resulting in no excited state.
［放電電力の測定］
Ｖ=14kV，Ｑ=6.0×10−３ｍ３/minの条件で放電を行ったときの印加電圧波形および放電電流波形を観測し、それぞれ図３および図４に示す。印加電圧および放電電流は、図１に示す、電源１３に接続されたオシロスコープ３（Tektronix社製、製品名「TDS3024B」）により観測した。図３および図４に示すように、入力波形は全てサイン波であるが、周波数の増加に伴って電圧・電流波形がいずれも歪な形状を示すことが確認された。これは、高周波数かつ高電圧の場合において、電圧がピークに達するまでに必要な時間に対して周波数が高すぎることから、電圧の立ち上がり応答が放電に追いつかなくなるためと考えられる。
[Measurement of discharge power]
The applied voltage waveform and the discharge current waveform when discharging was performed under the conditions of V = 14 kV and Q = 6.0 × 10 −3 m 3 / min are shown in FIGS. 3 and 4, respectively. The applied voltage and discharge current were observed with an oscilloscope 3 (manufactured by Tektronix, product name “TDS3024B”) connected to the power source 13 shown in FIG. As shown in FIGS. 3 and 4, the input waveforms are all sine waves, but it has been confirmed that both the voltage and current waveforms show a distorted shape as the frequency increases. This is presumably because in the case of a high frequency and a high voltage, the frequency rise response is too high for the time required for the voltage to reach a peak, so that the rising response of the voltage cannot catch up with the discharge.
図３および図４の波形から放電電力値を算出し、図５に示す。図５に示すように、放電電力は最大で70W程度と低電力であることが確認された。また、ｆ＝1500Hz以上の高周波数で放電を行った場合、14kV以上の高電圧において放電電力の増加量が減少することが確認された。これは、高周波数かつ高電圧の場合に、電圧の立ち上がり応答が放電に追いつかなくなることが原因と考えられる。 The discharge power value is calculated from the waveforms of FIGS. 3 and 4 and shown in FIG. As shown in FIG. 5, it was confirmed that the discharge power was as low as about 70 W at the maximum. In addition, when discharging was performed at a high frequency of f = 1500 Hz or higher, it was confirmed that the amount of increase in discharge power decreased at a high voltage of 14 kV or higher. This is considered due to the fact that the rising response of the voltage cannot catch up with the discharge when the frequency is high and the voltage is high.
［空気プラズマ流の分光計測］
ｆ＝1000〜2000Hz，Ｖ＝10〜18ｋＶ，Ｑ=6.0×10−３ｍ３/minの条件で放電を行ったときの放電部に対して、プラズマトーチ１１の下方向から上向きに分光計測を行い、その結果の一例を図６に示す。分光計測は、図１に示す超高感度瞬間マルチ測光システム４（大塚電子社製、製品名「MPCD-7000」）で行った。分光計測は、プラズマトーチ１１の下流の、誘電体２２の先端のプラズマ噴射口２２ａから１５mmの位置で行い、330〜1100mmの波長範囲を0.5mm間隔で解析した。
[Spectroscopic measurement of air plasma flow]
Spectral measurement is performed from the lower side to the upper side of the plasma torch 11 for the discharge part when discharging is performed under the conditions of f = 1000 to 2000 Hz, V = 10 to 18 kV, and Q = 6.0 × 10 −3 m 3 / min. An example of the results is shown in FIG. The spectroscopic measurement was performed with an ultrasensitive instantaneous multi-photometry system 4 (product name “MPCD-7000” manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd.) shown in FIG. The spectroscopic measurement was performed at a position 15 mm from the plasma injection port 22 a at the tip of the dielectric 22 downstream of the plasma torch 11, and a wavelength range of 330 to 1100 mm was analyzed at 0.5 mm intervals.
図６に示すように、放射強度のピークはいずれもN2の各波長（337.1，357.6，380.5，405.9，762.0，888.1nm）に対応しており、N2の強い発光が確認された。また、放射強度は、周波数および印加電圧の増加に伴って強くなっていることが確認された。一方、電極として用いた銅の波長では発光が観測されなかった。これは、熱流動場や電子衝突による電極の損耗が起こらないことを示しており、誘電体バリア放電の利点を表した結果といえる。なお、第２電極２３を銅から真鍮やアルミニウムに変えた場合の放射強度の比較も行ったが、電極材料による放射強度の変化は殆ど認められなかった。また、真鍮やアルミニウムの波長での発光も観測されなかった。 As shown in FIG. 6, the radiant intensity peaks all correspond to the wavelengths of N 2 (337.1, 357.6, 380.5, 405.9, 762.0, 888.1 nm), and strong emission of N 2 was confirmed. In addition, it was confirmed that the radiation intensity increased with increasing frequency and applied voltage. On the other hand, no light emission was observed at the wavelength of copper used as the electrode. This indicates that electrode wear due to thermal flow field and electron collision does not occur, and it can be said that the result represents the advantage of dielectric barrier discharge. In addition, although the radiation intensity at the time of changing the 2nd electrode 23 from copper to brass or aluminum was also compared, the change of the radiation intensity by electrode material was hardly recognized. Also, no emission at the wavelength of brass or aluminum was observed.
［空気プラズマ流の質量分析］
ｆ=1000Hz，Ｖ=14kV，Ｑ=6.0×10−３ｍ３/minで放電を行ったときの、空気プラズマ流の質量分析を行い、その結果を図７に示す。質量分析は、図１に示す質量分析計５（キャノンアネルバ社製、製品名「M-200GA-DM」）で行った。質量分析は、プラズマトーチ１１の下流の、プラズマ噴射口２２ａから200mmの位置で行い、酸素原子Ｏ、一酸化窒素ＮＯ、オゾンO3、二酸化窒素NO2を計測対象とした。
[Mass analysis of air plasma flow]
Mass analysis of the air plasma flow was performed when discharging was performed at f = 1000 Hz, V = 14 kV, Q = 6.0 × 10 −3 m 3 / min, and the results are shown in FIG. Mass spectrometry was performed with a mass spectrometer 5 (manufactured by Canon Anelva, product name “M-200GA-DM”) shown in FIG. Mass spectrometry was performed at a position 200 mm from the plasma injection port 22a downstream of the plasma torch 11, and oxygen atoms O, nitrogen monoxide NO, ozone O 3 and nitrogen dioxide NO 2 were measured.
図７に示すように、O3の大量の増加、NOおよびNO2の少量の増加が、それぞれ確認された。一方、燃焼促進に寄与するとされるOラジカルについては、その増減が確認されなかった。これは、生成されたOラジカルが、極めて短い時間で消滅し、O3やNO，NO2が生成されたためと考えられる。なお、図７では、放電開始前（off）の空気中に存在する各種ラジカルの示す電流値（Ioff）を１として、放電開始後（on）の空気プラズマ流中の各成分が示す電流値(Ion)を相対値に換算して示している。 As shown in FIG. 7, a large increase in O 3 and a small increase in NO and NO 2 were confirmed. On the other hand, no increase or decrease was observed in O radicals that contribute to combustion promotion. This is thought to be because the generated O radicals disappeared in an extremely short time, and O 3 , NO, and NO 2 were generated. In FIG. 7, the current values (Ioff) indicated by various radicals existing in the air before the start of discharge (off) are set to 1, and the current values indicated by the components in the air plasma flow after the start of discharge (on) ( Ion) is converted into a relative value.
周波数ｆ、印加電圧Ｖを変化させたときの、O3の質量分析結果を図８に、NOおよびNO2の質量分析結果を図９に示す。図８および図９に示すように、周波数ｆ、印加電圧Ｖの増加に対し、各種ラジカルの電流値の比はほぼ直線的に増加することが確認された。この結果は、生成されるラジカルの量が、周波数ｆおよび印加電圧Ｖに対してほぼ直線的に増加することを示している。このことから、本発明の実施の形態のプラズマ発生装置１０およびプラズマ発生方法によれば、各種ラジカルの生成量を周波数ｆまたは印加電圧Ｖにより容易に制御できるといえる。但し、1500Hz以上の高周波数においては、電流値の比はほぼ一定値となった。これは、高周波数かつ高電圧の場合に、電圧の立ち上がり応答が放電に追いつかなくなることが原因となり、ラジカル生成量が飽和したためであると考えられる。 FIG. 8 shows the mass analysis result of O 3 and FIG. 9 shows the mass analysis results of NO and NO 2 when the frequency f and the applied voltage V are changed. As shown in FIGS. 8 and 9, it was confirmed that the ratio of the current values of various radicals increased almost linearly as the frequency f and the applied voltage V increased. This result shows that the amount of radicals generated increases almost linearly with respect to the frequency f and the applied voltage V. From this, it can be said that according to the plasma generation apparatus 10 and the plasma generation method of the embodiment of the present invention, the generation amount of various radicals can be easily controlled by the frequency f or the applied voltage V. However, at a high frequency of 1500 Hz or higher, the ratio of current values was almost constant. This is considered to be due to the fact that when the frequency is high and the voltage is high, the rising response of the voltage cannot catch up with the discharge, and the amount of radical generation is saturated.
また、図９（ａ）に示すように、周波数ｆを変化させたとき、NOおよびNO2の傾きがほぼ等しいのに対し、図９（ｂ）に示すように、印加電圧Ｖを変化させたとき、NO2の傾きがNOの傾きよりも大きくなっており、NO2の電圧変化への依存性が強いことが確認された。これは、誘電体バリア放電において、各ラジカル種が、周波数ｆ、印加電圧Ｖに対して全て同じ割合で生成されているわけではないことを示している。 Further, as shown in FIG. 9A, when the frequency f is changed, the slopes of NO and NO 2 are substantially equal, whereas the applied voltage V is changed as shown in FIG. 9B. The slope of NO 2 was larger than the slope of NO, and it was confirmed that the dependence on the voltage change of NO 2 was strong. This indicates that in the dielectric barrier discharge, the radical species are not all generated at the same rate with respect to the frequency f and the applied voltage V.
［空気プラズマ流中のオゾン濃度測定］
周波数ｆ、印加電圧Ｖを変化させ、Ｑ=6.0×10−３ｍ３/minで放電を行ったときの、空気プラズマ流中のO3の濃度を測定し、その結果を図１０に示す。オゾンO3の濃度測定は、図１に示すオゾン濃度計６（セキエレクトロニクス社製、製品名「SOZ-3300」）で行った。オゾンO3の濃度測定は、プラズマトーチ１１のプラズマ噴射口２２ａにテフロン（登録商標）チューブを接続し、生成された空気プラズマ流をプラズマ噴射口２２ａから500mm下流の位置でサンプリングし、放電開始から20秒後のオゾン濃度を測定して行った。
[Measurement of ozone concentration in air plasma flow]
When the frequency f and the applied voltage V were changed and discharge was performed at Q = 6.0 × 10 −3 m 3 / min, the concentration of O 3 in the air plasma flow was measured, and the result is shown in FIG. The concentration of ozone O 3 was measured with an ozone concentration meter 6 (manufactured by Seki Electronics Co., Ltd., product name “SOZ-3300”) shown in FIG. The concentration of ozone O 3 is measured by connecting a Teflon (registered trademark) tube to the plasma injection port 22a of the plasma torch 11, sampling the generated air plasma flow at a position 500 mm downstream from the plasma injection port 22a, and starting discharge. The ozone concentration after 20 seconds was measured.
図１０に示すように、例えば、ｆ=1000Hz，Ｖ=14kV，Ｑ=6.0×10−３ｍ３/minで放電を行った場合、O3の濃度は1103ppmと高濃度を示している。O3の濃度は、周波数ｆおよび印加電圧Ｖに対して直線的に増加しており、質量分析計の結果を裏付けるものとなった。このことからも、本発明の実施の形態のプラズマ発生装置１０およびプラズマ発生方法は、O3の生成量に対する制御性に優れているといえる。また、周波数がｆ=1000Hzより高く、かつ印加電圧がＶ=14kV以上の場合、オゾン濃度が1500〜1600ppm程度で飽和することが確認された。 As shown in FIG. 10, for example, when discharging is performed at f = 1000 Hz, V = 14 kV, and Q = 6.0 × 10 −3 m 3 / min, the concentration of O 3 is as high as 1103 ppm. The O 3 concentration increased linearly with frequency f and applied voltage V, confirming the mass spectrometer results. From this, it can be said that the plasma generation apparatus 10 and the plasma generation method according to the embodiment of the present invention are excellent in controllability with respect to the amount of O 3 generated. Further, it was confirmed that when the frequency is higher than f = 1000 Hz and the applied voltage is V = 14 kV or higher, the ozone concentration is saturated at about 1500 to 1600 ppm.
Ｑを変化させ、Ｖ=14kV，ｆ=100，500，1000，1500，2000Hzの各周波数で放電を行ったときの、空気プラズマ流中のO3の濃度を測定、その結果を図１１に示す。図１１に示すように、500Hz以下の低周波数の場合、O3の濃度は流量の増加に対して次第に減少することが確認された。これは、流量の増加により、空気が放電部で得る単位体積当りのエネルギーが減少したためであると考えられる。また、1000Hz以上で放電を行った場合には、Ｑ=1.0×10−３ｍ３/minでの濃度が小さく、Ｑ=3.0×10−３ｍ３/min付近で濃度が極大値を示し、その後減少することが確認された。 When Q was changed and discharge was performed at each frequency of V = 14 kV, f = 100, 500, 1000, 1500, 2000 Hz, the concentration of O 3 in the air plasma flow was measured, and the result is shown in FIG. . As shown in FIG. 11, it was confirmed that the O 3 concentration gradually decreased as the flow rate increased at a low frequency of 500 Hz or less. This is considered to be because the energy per unit volume obtained by the air in the discharge portion is reduced due to the increase in the flow rate. In addition, when discharging at 1000 Hz or higher, the concentration at Q = 1.0 × 10 −3 m 3 / min is small, and the concentration shows a maximum value near Q = 3.0 × 10 −3 m 3 / min, After that, it was confirmed to decrease.
なお、第２電極２３を銅から真鍮やアルミニウムに変えた場合の、オゾンO3の濃度を測定したが、銅と真鍮との濃度差は１％以下と小さく、銅とアルミニウムとの濃度差も最大で３％程度と小さかった。この結果から、電極材料がラジカル生成量に与える影響は小さいといえる。 The concentration of ozone O 3 was measured when the second electrode 23 was changed from copper to brass or aluminum, but the difference in concentration between copper and brass was as small as 1% or less, and the difference in concentration between copper and aluminum was also small. The maximum was as small as 3%. From this result, it can be said that the influence of the electrode material on the amount of radical generation is small.
［空気プラズマ流中の二酸化窒素濃度測定］
周波数ｆ、印加電圧Ｖを変化させ、Ｑ=6.0×10−３ｍ３/minで放電を行ったときの、空気プラズマ流中の二酸化窒素NO2の濃度を測定し、その結果を図１２に示す。二酸化窒素NO2の濃度測定は、図１に示す窒素酸化物（ＮＯＸ）分析計７（ホダカ社製、製品名「HT-1200」）で行った。二酸化窒素NO2の濃度測定は、プラズマトーチ１１のプラズマ噴射口２２ａにテフロン（登録商標）チューブを接続し、生成された空気プラズマ流をプラズマ噴射口２２ａから200mm下流の位置でサンプリングして行った。
[Measurement of nitrogen dioxide concentration in air plasma flow]
When the frequency f and the applied voltage V were changed and the discharge was performed at Q = 6.0 × 10 −3 m 3 / min, the concentration of nitrogen dioxide NO 2 in the air plasma flow was measured, and the result is shown in FIG. Show. The concentration of nitrogen dioxide NO 2 was measured with a nitrogen oxide (NO x ) analyzer 7 (product name “HT-1200” manufactured by Hodaka) shown in FIG. Nitrogen dioxide NO 2 concentration was measured by connecting a Teflon (registered trademark) tube to the plasma injection port 22a of the plasma torch 11 and sampling the generated air plasma flow at a position 200 mm downstream from the plasma injection port 22a. .
図１２に示すように、例えば、ｆ=100Hz，Ｖ=14kV，Ｑ=6.0×10−３ｍ３/minで放電を行った場合、NO2の濃度は100ppmを示している。NO2の濃度は、O3の場合と同様、周波数ｆおよび印加電圧Ｖに対して直線的に増加していることが確認された。このことからも、本発明の実施の形態のプラズマ発生装置１０およびプラズマ発生方法は、NO2の生成量に対する制御性に優れているといえる。 As shown in FIG. 12, for example, when discharging is performed at f = 100 Hz, V = 14 kV, and Q = 6.0 × 10 −3 m 3 / min, the concentration of NO 2 indicates 100 ppm. As in the case of O 3 , it was confirmed that the NO 2 concentration increased linearly with respect to the frequency f and the applied voltage V. From this, it can be said that the plasma generator 10 and the plasma generation method of the embodiment of the present invention are excellent in controllability with respect to the amount of NO 2 generated.
［空気プラズマ流中のラジカルの輸送特性］
ｆ=1000Hz，Ｖ=8kVまたは14kVとし、流量をＱ=0.3，1.0，3.0，6.0，9.0×10−３ｍ３/minと変化させて放電を行ったときの、空気プラズマ流中のO3、NOおよびNO2の下流方向への分布を測定し、その結果をそれぞれ図１３、図１４および図１５に示す。測定は、図１に示す質量分析計５を使用して、プラズマトーチ１１のプラズマ噴射口２２ａにサンプリング用のチューブを接続し、生成された空気プラズマ流をプラズマ噴射口２２ａから100，200，300，400，500mm下流の位置でサンプリングして行った。
[Radical transport properties in air plasma flow]
O 3 in the air plasma flow when f = 1000 Hz, V = 8 kV or 14 kV, and discharge was performed with the flow rate changed to Q = 0.3, 1.0, 3.0, 6.0, 9.0 × 10 −3 m 3 / min. , NO and NO 2 in the downstream direction were measured, and the results are shown in FIGS. 13, 14 and 15, respectively. For the measurement, a mass spectrometer 5 shown in FIG. 1 is used, a sampling tube is connected to the plasma injection port 22a of the plasma torch 11, and the generated air plasma flow is transferred from the plasma injection port 22a to 100, 200, 300. , Sampled at a position downstream of 400, 500 mm.
図１３に示すように、O3は、Ｑ=1.0×10−３ｍ３/min以上では、下流100mmから500mmまで電流値の比、すなわち生成量が減衰せず、流量の減少に伴って生成量が増加していることが確認された。一方、流量がＱ=0.3×10−３ｍ３/minの場合には、生成量が減少し、特に、図１３（ｂ）に示すように、印加電圧をＶ=14kVと増加させたとき、O3の生成量が極端に減少することが確認された。また、流量がＱ=0.3×10−３ｍ３/minの場合、下流ほど生成量が減衰することも確認された。これは、流量に対して印加電圧および周波数が過大であるために、放電部でのO3生成の反応が飽和・抑制されたため、下流域におけるO3の消滅反応が生成反応を上回ることが原因であると考えられる。 As shown in FIG. 13, when Q = 1.0 × 10 −3 m 3 / min or more, O 3 is generated as the ratio of current values from the downstream 100 mm to 500 mm, that is, the generation amount is not attenuated and the flow rate decreases. The amount was confirmed to increase. On the other hand, when the flow rate is Q = 0.3 × 10 −3 m 3 / min, the generation amount decreases, and particularly when the applied voltage is increased to V = 14 kV as shown in FIG. It was confirmed that the amount of O 3 produced decreased extremely. It was also confirmed that when the flow rate was Q = 0.3 × 10 −3 m 3 / min, the generation amount was attenuated toward the downstream. This is because the applied voltage and frequency are excessive with respect to the flow rate, so the O 3 generation reaction in the discharge section is saturated and suppressed, and the O 3 extinction reaction in the downstream region exceeds the generation reaction. It is thought that.
図１４に示すように、NOは、流量の減少に伴って生成量が増加しており、下流の各点における減衰も認められないことが確認された。また、図１５に示すように、NO2は、Ｑ=1.0×10−３ｍ３/min以上では、流量の減少に伴って生成量が増加することが確認された。また、NO2は、下流における減衰はないものの、流量がＱ=0.3×10−３ｍ３/minの場合に、O3同様生成量が減少していることが確認された。以上の結果から、流量を極端に小さくして誘電体バリア放電を行った場合、O3およびNO2の生成を抑制した状態で、燃焼促進に寄与するNOラジカルを選択的に生成できる可能性があると考えられる。また、下流における生成量の減衰がないことを利用して、生成されたO3、NOおよびNO2を輸送することができ、O3、NOおよびNO2の利用拡大を図ることができると考えられる。 As shown in FIG. 14, it was confirmed that the amount of NO increased as the flow rate decreased, and no attenuation at each downstream point was observed. Further, as shown in FIG. 15, it was confirmed that the amount of NO 2 increased as the flow rate decreased at Q = 1.0 × 10 −3 m 3 / min or more. Further, although NO 2 was not attenuated downstream, it was confirmed that the amount of NO 2 produced was reduced as in the case of O 3 when the flow rate was Q = 0.3 × 10 −3 m 3 / min. From the above results, when dielectric barrier discharge is performed with an extremely small flow rate, there is a possibility that NO radicals contributing to combustion promotion can be selectively generated in a state where generation of O 3 and NO 2 is suppressed. It is believed that there is. Moreover, it is considered that the generated O 3 , NO and NO 2 can be transported by utilizing the fact that there is no attenuation of the production amount downstream, and that the use of O 3 , NO and NO 2 can be expanded. It is done.
［空気プラズマ流の温度場特性］
ｆ=1000Hz，Ｖ=14kV，Ｑ=6.0×10−３ｍ３/minとして放電を行ったときの、空気プラズマ流のガス温度を測定し、その結果を図１６に示す。ガス温度測定は、図１に示すＫ型（銅−コンスタンタン）熱電対８を使用して、プラズマトーチ１１のプラズマ噴射口２２ａから下流の各点（z=0，5，10，15，20mm）で行った。また、測定開始からｔ＝10sの時点で放電を開始し、温度変化が定常になるｔ＝200sまで放電を行った。図１６に示すように、プラズマ噴射口２２ａから下流に向かうほど、ガス温度は減少することが確認された。
[Temperature field characteristics of air plasma flow]
The gas temperature of the air plasma flow was measured when discharging was performed with f = 1000 Hz, V = 14 kV, and Q = 6.0 × 10 −3 m 3 / min, and the results are shown in FIG. The gas temperature is measured by using a K-type (copper-constantan) thermocouple 8 shown in FIG. 1 and points downstream from the plasma injection port 22a of the plasma torch 11 (z = 0, 5, 10, 15, 20 mm). I went there. In addition, the discharge was started at the time of t = 10 s from the start of measurement, and the discharge was performed until t = 200 s where the temperature change becomes steady. As shown in FIG. 16, it was confirmed that the gas temperature decreased toward the downstream from the plasma injection port 22a.
周波数ｆおよび印加電圧Ｖを変化させ、Ｑ=3.0×10−３ｍ３/minで放電を行ったときの、ｚ=10mmの位置での空気プラズマ流の最高温度を測定し、その結果を図１７に示す。図１７に示すように、空気プラズマ流の最高温度は、最大値でも350K程度と低温であることが確認された。空気プラズマ流の最高温度は、周波数が1000Hz以下の場合、周波数および電圧に対し、ほぼ直線的に増加することが確認された。また、周波数がｆ=1500Hz以上、かつ印加電圧Ｖ=14kV以上の場合、最高温度がほぼ一定となっていることが確認された。これは、高周波数かつ高電圧の場合に、電圧の立ち上がり応答が放電に追いつかなくなるためであり、高周波数・高電圧下で温度上昇が抑制される効果ではないと考えられる。 The maximum temperature of the air plasma flow at the position of z = 10 mm when discharging at Q = 3.0 × 10 −3 m 3 / min while changing the frequency f and the applied voltage V is measured, and the result is shown in FIG. 17 shows. As shown in FIG. 17, it was confirmed that the maximum temperature of the air plasma flow was as low as about 350K even at the maximum value. It was confirmed that the maximum temperature of the air plasma flow increased almost linearly with frequency and voltage when the frequency was 1000 Hz or less. It was also confirmed that the maximum temperature was almost constant when the frequency was f = 1500 Hz or higher and the applied voltage V = 14 kV or higher. This is because when the frequency is high and the voltage is high, the rise response of the voltage cannot catch up with the discharge, and it is considered that the temperature rise is not suppressed under high frequency and high voltage.
１ 真空ポンプ
２ 圧力容器
３ オシロスコープ
４ 超高感度瞬間マルチ測光システム
５ 質量分析計
６ オゾン濃度計
７ 窒素酸化物（ＮＯＸ）分析計
８ Ｋ型熱電対
１０ プラズマ発生装置
１１ プラズマトーチ
１２ 空気供給部
１３ 電源
２１ 第１電極
２１ａ スリット
２２ 誘電体
２３ 第２電極
２４ 接地端子
２５ 印加端子
２６ ガス導入部
２６ａ ガス接続部
２６ｂ ガス供給口
２６ｃ ガス噴出口
２６ｄ 連通路
２７ ボンベ
２８ フローコントローラ
２９ 供給管
1 vacuum pump 2 pressure vessel 3 oscilloscope 4 ultrasensitive instantaneous multi photometric system 5 mass spectrometer 6 ozone concentration meter 7 nitrogen oxides (NO X) analyzer 8 K-type thermocouple 10 plasma generator 11 plasma torch 12 air supply unit DESCRIPTION OF SYMBOLS 13 Power supply 21 1st electrode 21a Slit 22 Dielectric 23 Second electrode 24 Ground terminal 25 Application terminal 26 Gas introduction part 26a Gas connection part 26b Gas supply port 26c Gas injection port 26d Communication path 27 Cylinder 28 Flow controller 29 Supply pipe
Claims (6)
前記プラズマトーチは互いに間隔を開けて設けられた第１電極と第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた誘電体とを有し、
前記空気供給部は前記第１電極と前記第２電極との間に空気を供給するよう設けられ、
前記電源は誘電体バリア放電を発生させて前記空気供給部から供給された空気をプラズマ化可能に、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加するよう設けられていることを、
特徴とするプラズマ発生装置。 A plasma torch, an air supply, and a power source;
The plasma torch has a first electrode and a second electrode that are spaced apart from each other, and a dielectric provided between the first electrode and the second electrode,
The air supply unit is provided to supply air between the first electrode and the second electrode,
The power source is provided to apply a voltage between the first electrode and the second electrode so that dielectric air can be generated and the air supplied from the air supply unit can be turned into plasma. ,
A plasma generating apparatus.
前記誘電体は円筒状を成し、前記第１電極の内面に沿って設けられ、
前記第２電極は前記誘電体の内部に設けられていることを、
特徴とする請求項１記載のプラズマ発生装置。 The first electrode has a cylindrical shape and is grounded;
The dielectric has a cylindrical shape and is provided along the inner surface of the first electrode.
The second electrode is provided inside the dielectric,
The plasma generator according to claim 1, wherein
Air is supplied between the first electrode and the second electrode of the plasma torch provided with a space between each other and having a dielectric therebetween, and a voltage is applied between the first electrode and the second electrode. And generating a dielectric barrier discharge to turn the air into plasma.
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