JP2010051941A - プラズマ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】放電プラズマにより励起された処理対象ガスの分解、改質及び合成を行うプラズマ素子を提供する。
【解決手段】二重管誘電体１の内管内側に処理対象ガスとキャリアガスを流通させ、内管と外管の間に流通させる導電性液体２を外部電極とし、内管内側に螺旋状に正回転する非導電性第１羽根部分３ａ、螺旋状に逆回転する非導電性第２羽根部分４ａとを交互に配設し、羽根部の長手外周部に敷設した導電性連続コイルを内部電極５とし、処理対象ガスとキャリアガスが羽根部により剪断力を受けて分割及び合流を繰り返すことにより両者が攪拌混合されると同時にプラズマ電源７により両電極間に高周波・高電圧を印加し放電プラズマを誘起させ、対象処理ガスのプラズマ反応と攪拌混合による酸化反応により、内管内側に流通するガスに分解、改質、及び合成処理を施す。
【選択図】図１

Description

本発明は、放電プラズマにより励起された対象処理ガスを分解・合成・改質を可能とし、更にオゾン生成装置として使用可能としたプラズマ素子に関する。

従来、プラズマを利用した処理装置としては、減圧状態或いは大気圧状態で処理する方法がある。
特開平５−１２１３８６号公報 特開２００３−１２４６１０号公報 特開２００５−２４０５８４号公報 特開２００６−１９０１６４号公報

これらの手法の内、特許文献１及び特許文献２は真空排気後に圧力制御されたチャンバー内に処理対象ガスを導入しワークをプラズマ処理する技術である。特許文献３及び特許文献４はチャンバーを必要とせずに大気圧でプラズマ処理する技術である。

しかしながら、減圧状態を必要とする装置は圧力制御が非常に困難であり、チャンバーをはじめ装置全体が大きくなると共に装置費用も高額である。大気圧でのプラズマ処理ではプラズマ放電時にプラズマ電極温度が上昇することによりプラズマ処理能力が低下し、又、高濃度・大風量の対象処理ガスにおいては放電分解効率も低下してしまう虞れがある。又、放電分解処理において酸素の供給量が不足すれば、副生成物の重合反応等が進行し、臭気の強い副生成物が多数発生してしまう虞れがある。

チューブ型の大気圧プラズマ素子において対象処理ガスはプラズマ放電域である筒状誘電体と内部電極との隙間を流路とすることから流路抵抗も大きく、大量な対象処理ガスの流通は困難である。また、対象処理ガスの分解・改質・合成に必要な酸化反応はプラズマ領域通過後に進行することから大気圧プラズマ素子後段配管内で高温に発熱し、安全で安定的な装置の稼動が困難である。

そこで、本発明は叙上のような従来存した諸事情を鑑み創出されたもので、流通型プラズマ外部液体電極にて外部電極温度の上昇を防ぎ、高濃度・大風量の対象処理ガスに対しても安定した放電分解効率を連続して保つことができる。また、放電分解処理において酸素供給を可能にすることで副生成物の重合反応を阻止でき、酸素供給量を増加させることにより、ラジカル化又はイオン化反応を促進させることができるものとなる、また、減圧状態でのプラズマ反応はプラズマ放電部を減圧状態にすることが求められるが、低コストの装置化が可能であると共に、これによって放電プラズマにより励起された対象処理ガスを分解・合成・改質可能とし、また、対象処理ガス及びキャリアガスを選択することによりオゾン生成装置として使用可能としたプラズマ素子を提供することを目的とする。

本発明にあたっては、二重管構造の誘電体の内管内側に対象処理ガスとキャリアガスを流通可能とした二重管誘電体の管隙間に流通させる導電性液体を外部電極とし、二重管誘電体及び外部電極を冷却し、二重管誘電体の内管内側に内接して配された螺旋状に正回転する非導電性第１羽根部分、螺旋状に逆回転する非導電性第２羽根部分とを交互に長手方向に延設して、羽根部の長手外周部に長手軸に対して任意のピッチで等間隔の螺旋状に加工した切欠き部に二重管誘電体内管に内接せずに任意の等距離を保って敷設した導電性連続コイルを内部電極とし、対象処理ガスとキャリアガスが羽根部により剪断力を受けて分割及び合流を繰り返すことにより両者が攪拌混合されると同時に両電極間に高周波・高電圧を印加し放電プラズマを誘起させ、プラズマ反応と攪拌混合による酸化反応により二重管誘電体の内管内側に流通する対象処理ガスの分解・合成・改質を可能としたことを特徴としている。

前記非金属製第１羽根部分、非金属製第２羽根部分それぞれは当該両羽根部分間に境界部を設けて筒状誘電体部材の長手方向に沿って交互に一体成形して成るか若しくは予め分割形成された両羽根部分を交互に溶接又は接着結合して成るものとし、該境界部は、前記両羽根部分それぞれの端部が直交するように捩られて成形して成ることを特徴としている。

更に、対象処理ガスのキャリアガスとして大気を利用したことを特徴としている。

又、前記二重管誘電体の内管内側を減圧し、その圧力以上にて対象処理ガス及びキャリアガスを導入することを特徴としている。

又、プラズマ素子の上流に対象処理ガスに酸素を供給する酸素供給源を接続し、放電プラズマ反応と同時進行して該対象処理ガスは酸素との酸化分解処理が行われることを特徴としている。

又、オゾン発生装置として使用可能としたことを特徴としている。

本発明によれば、流通型液体外部電極にて二重管誘電体及び外部電極温度の上昇を防ぎ、処理対象ガスの濃度・風量が増加しても連続して安定的な放電分解効率を保つことができ、また、放電分解処理において酸素供給を均一且つ増加可能とすることで副生成物の重合反応を阻止でき、しかも低コストで連続稼動させることができると共に、対象処理ガスへの酸素供給量を増加させて、ラジカル化又はオイン化反応を促進させることができるものとなり、これによって放電プラズマにより励起された対象処理ガスを容易に分解・合成・改質することができる。

また、真空排気設備や高精度な圧力制御設備等を必要とせず減圧状態で使用可能なプラズマ素子を容易且つ安価に製造することができる。

以下、本発明を実施する最良の形態として、大気圧中で放電プラズマを誘発させて処理する大気圧プラズマ素子を、図面を参照して説明する。

〔図１〕に示すように、該大気圧プラズマ素子は、例えば処理対象ガスであるトルエン・キシレン等ＶＯＣ（揮発性有機化合物）ガスを、キャリアガスとして大気を長手方向に沿って流通させ、非平衡プラズマに接触・酸化することにより、分解・改質・合成をするものとなる。

プラズマ素子の構成としては〔図２〕、〔図３〕に示す様に、石英ガラス製二重管誘電体１の管隙間に濃度５％食塩水２を流通して外部電極とし、石英ガラス製二重管誘電体１及び濃度５％食塩水外部電極２を冷却し、二重管誘電体１の内管内側に内接して配された螺旋状に正回転して１８０度捩り回転するセラミックス製第１羽根部分３ａ、螺旋状に逆回転した１８０度捩り回転するするセラミックス製第２羽根部分４ａ戸を交互に長手方向に延設して、セラミックス製第１羽根部分３ａセラミックス製第２羽根部分４ａとは端部が約９０度の角度で直行するように交互に溶接又は接着結合されことで、セラミックス製第１羽根部分３ａ，３ｂとセラミックス製第２羽根部分４ａ，４ｂにより二重管誘電体１内が２個の流路に仕切られて成る攪拌式の静止型流体混合器として形成されている。

また、〔図３〕、〔図４〕に示す様に、セラミックス製第１羽根部分３ａ及びセラミックス製第２羽根部分４ａの長手外周部に長手軸に対して任意のピッチで等間隔の螺旋状に加工した切欠き部に二重管誘電体内管に内接せずに任意の等距離を保って敷設したステンレス製連続コイルを内部電極５として形成されている。両電極間にプラズマ電源７により１〜１００ｋＨｚ、０〜１５ｋＶ（ｐ−ｐ）のパルス型高周波・高電圧を印加し、二重管誘電体１内管と内部電極５間をプラズマ生成領域６として非平衡プラズマを誘起させる。プラズマ生成領域６でプラズマ反応したＶＯＣガスは管中心部に向かい大気或いは酸素と接触し、さらに羽根部により剪断力を受けて分割及び合流することにより、プラズマ反応、攪拌混合作用、酸化反応を該プラズマ素子内で同時に行い、この３工程を繰り返すことにより、ＶＯＣガスの分解・合成・改質を可能にするものとなる。

また、パルス型高周波・高電圧電源７を使用する替わりに、他の電源を使用することも可能である。更に、該プラズマ素子の二重管誘電体内管直径を８５ｍｍ、プラズマ放電域を１ｍとしたチューブ型プラズマユニット反応器を並列に複数配置すると効率は増加し実用性に富むものとなる。

そして、内部電極５が等隙間をもつコイル状であり、静止型流体混合器が平板を捩った螺旋状であることからガスの流路抵抗が少なく、ＶＯＣガスの処理流量を大幅に高められるものとなる。

さらに、〔図５〕に示す様にプラズマ素子上流側に、酸素供給源を接続することにより、対象処理ガスに酸素を供給するようにしても良い。この酸素供給手段としては、配管９内部に静止型流体混合器８を敷設した構造のものが最適である。また、配管及び静止型流体混合器はセラミックス、ガラス、ステンレス等の耐腐食性材が良い。

また、静止型流体混合器は、第１羽根部分３ａ、３ｂ及び第２羽根部分４ａ、４ｂをそれぞれのエレメントとして長方形の板を１８０度捩った形状とし、捩れの方向により、右エレメントと左エレメントとを形成する。これら両エレメントの寸法は直径に比して約１．５倍の長さを有することを基本とする。

また、上記した静止型流体混合器による攪拌混合原理としては、一つのエレメントを通過する毎に二分割される（分割数Ｎ＝２のｎ（エレメント数）乗）分割作用と、エレメント内の捩れ面に沿って２重管誘電体内管中央部から壁部へ、また壁部から中央部へと並び替える転換作用と、１エレメント毎に捩れ方向が替わり、急激な慣性力の反転を受けて乱流攪拌される反転作用それぞれより２流体を効果的に混合するものである。
一般的に２重管誘電体内管内側を層流状態となって流れる流体は壁面との粘性力により壁面位置よりも中央位置の方が早く流れるため、流動中に不均一になり易いのであるが、上記した混合原理に基づけば、２重管誘電体内管内側を流れる流体は半径方向に均一化（半径方向に沿って速度勾配がゼロ）させるものとなる。また、このような大気圧プラズマ素子Ｐは低消費電力でのプラズマ処理が可能で、熱交換効率や流体のラジカル化効率も大幅に向上する。更に、インライン型連続反応器としても優れた効果を発揮する。

次に、以上のように構成された最良の形態について使用、動作の一例を説明する。〔図１〕に示すように、２重管誘電体内管の上流側からＶＯＣガス等の対象処理ガスをキャリアガスである大気と共にプラズマ素子に導入する。

そして、キャリアガスとＶＯＣガス等の対象処理ガスとを２重管誘電体内管の流路内で旋回させると同時に流路内で剪断力を受けて分割及び合流を繰り返すことで当該キャリアガスと対象処理ガスとが効率よく攪拌混合される。

これと同時に、外部電極２とエレメントの長手外周部に敷設された内部電極５の両電極に１〜１００ｋＨｚ、０〜１５ｋＶ（ｐ−ｐ）のパルス型高周波・高電圧を印加し、二重管誘電体１内管と内部電極５間をプラズマ生成領域６として非平衡プラズマを誘起させ、対象処理ガスとプラズマを接触させる。

これにより、対象処理ガスのプラズマ反応と酸化反応とが同時進行して、当該対象処理ガスは酸化分解処理される。

尚、二重管誘電体内管の上流から大気のみ或いは酸素のみを導入することにより高濃度で大量のオゾンが生成される。

本発明を実施するための最良の形態における使用状態の概略プラズマ素子断面図である。 本発明を実施するための最良の形態における二重管誘電体の断面図である。 本発明を実施するための最良の形態における連設羽根部分の外観図である。 本発明を実施するための最良の形態における内部電極部分の外観図である。 本発明を実施するための最良の形態における酸素供給源の接続図である。

符号の説明

Ｐ プラズマ素子
１ ２重管誘電体
２ 外部電極
３ａ 第１羽根部分
３ｂ 第２羽根部分
４ａ 第１羽根部分
４ｂ 第２羽根部分
５ 内部電極
６ プラズマ放電域
７ プラズマ電源
８ 静止型流体混合器
９ 配管

Claims (6)

1. 二重管構造の筒状誘電体の内管内側に処理対象ガスとキャリアガスを流通可能とした該２重管誘電体の管隙間に流通させる導電性液体を外部電極とし、該二重管誘電体の内管内側に内接して配された螺旋状に正半回転する非導電性第１羽根部分、螺旋状に逆半回転する非導電性第２羽根部分とを交互に長手方向に延設して、羽根部の長手外周部に長手軸に対して任意のピッチで等間隔の螺旋状に加工した切欠き部に該二重管誘電体内管に内接せずに任意の等距離を保って敷設した導電性連続コイルを内部電極とし、処理対象ガスとキャリアガスが羽根部により剪断力を受けて分割及び合流を繰り返すことにより両者が攪拌混合されると同時に両電極間に高周波・高電圧を印加し放電プラズマを誘起させ、プラズマ反応と攪拌混合により二重管誘電体の内管内側に流通する対象処理ガスの分解・合成・改質を可能としたことを特徴とするプラズマ素子。
2. 前記非金属製第１羽根部分、非金属製第２羽根部分それぞれは当該両羽根部分間に境界部を設けて管状誘電体部材の長手方向に沿って交互に一体成形して成るか若しくは予め分割形成された両羽根部分を交互に溶接又は接着結合して成るものとし、該境界部は、前記両羽根部分それぞれの端部が直交するように成形して成ることを特徴とする請求項１記載のプラズマ素子。
3. 対象処理ガスのキャリアガスとして大気を利用したことを特徴とする請求項１又は請求項２のプラズマ素子。
4. 前記２重管状誘電体の内管内を減圧し、その圧力以上の対象処理ガス及びキャリアガスを導入することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のプラズマ素子。
5. プラズマ素子の上流に処理対象ガスに酸素を供給する酸素供給源を接続し、放電プラズマ反応と同時進行して該対象処理ガスは酸素との酸化分解処理が行われることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載のプラズマ素子。
6. オゾン生成装置として使用可能としたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか記載のプラズマ素子。

Images