JP4342893B2 - プラズマ発生電極及びプラズマ反応器 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ発生電極及びプラズマ反応器に関する。さらに詳しくは、熱衝撃による破損を有効に防止することが可能なプラズマ発生電極及びプラズマ反応器に関する。

二枚の両端を固定された電極間に誘電体を配置し高電圧の交流、あるいは周期パルス電圧をかけることにより、無声放電が発生し、これによりできるプラズマ場では活性種、ラジカル、イオンが生成され、気体の反応、分解を促進することが知られており、これをエンジンや各種の焼却炉等から排出される排気ガスに含まれる有害成分の除去に利用できることが知られている。

例えば、エンジンや各種の焼却炉等から排出される排気ガスを、プラズマ場内を通過させることによって、この排気ガス中に含まれる、例えば、ＮＯ_x、カーボン微粒子、ＨＣ、ＣＯ等を処理する、プラズマ発生電極を用いたプラズマ反応器等が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−１６４９２５号公報

しかしながら、例えば、エンジンや各種の焼却炉等から排出される排気ガスを処理する場合に、プラズマ発生電極が熱衝撃により破損するという問題があった。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、熱衝撃による破損を有効に防止することが可能なプラズマ発生電極及びプラズマ反応器を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、以下のプラズマ発生電極及びプラズマ反応器を提供するものである。

［１］互いに対向する二以上の板状の単位電極と、前記単位電極を所定間隔に隔てた状態で保持する保持部材とを備え、前記単位電極相互間に電圧を印加することによってプラズマを発生させることが可能なプラズマ発生電極であって、互いに対向する前記単位電極の少なくとも一方が、誘電体となるセラミック体と、前記セラミック体の内部に配設された導電膜とを有するとともに、前記保持部材は、前記単位電極相互間の間隔の長さに相当する厚さを有し、互いに対向する前記単位電極の一方の端部又は両方の端部に配置されたものであり、前記単位電極を構成する前記セラミック体のヤング率に対する前記保持部材のヤング率の割合が１より小さい、及び／又は前記単位電極を構成する前記セラミック体の熱伝導率に対する前記保持部材の熱伝導率の割合が１より小さいプラズマ発生電極。

［２］前記保持部材が、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化珪素、窒化珪素、ジルコニア、ムライト、コージェライト、及び結晶化ガラスからなる群から選ばれる少なくとも一種の化合物を含む前記［１］に記載のプラズマ発生電極。

［３］前記セラミック体が、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、ムライト、コージェライト、マグネシウム−カルシウム−チタン系酸化物、バリウム−チタン−亜鉛系酸化物、及びバリウム−チタン系酸化物からなる群から選ばれる少なくとも一種の化合物を含む前記［１］又は［２］に記載のプラズマ発生電極。

［４］前記単位電極を構成する前記セラミック体のヤング率に対する前記保持部材のヤング率の割合が０．８以下である前記［１］〜［３］のいずれかに記載のプラズマ発生電極。

［５］前記保持部材のヤング率が２５０ＧＰａ以下である前記［１］〜［４］のいずれかに記載のプラズマ発生電極。

［６］前記単位電極を構成する前記セラミック体の熱伝導率に対する前記保持部材の熱伝導率の割合が０．５以下である前記［１］〜［５］のいずれかに記載のプラズマ発生電極。

［７］前記保持部材の熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以下である前記［１］〜［６］のいずれかに記載のプラズマ発生電極。

［８］前記［１］〜［７］のいずれかに記載のプラズマ発生電極と、所定の成分を含むガスの流路（ガス流路）を内部に有するケース体とを備え、前記ガスが前記ケース体の前記ガス流路に導入されたときに、前記プラズマ発生電極で発生したプラズマにより前記ガスに含まれる前記所定の成分が反応することが可能なプラズマ反応器。

［９］前記プラズマ発生電極に電圧を印加するためのパルス電源をさらに備えた前記［８］に記載のプラズマ反応器。

［１０］前記パルス電源が、その内部に少なくとも一つのＳＩサイリスタを有する前記［９］に記載のプラズマ反応器。

本発明のプラズマ発生電極及びプラズマ反応器は、熱衝撃による破損を有効に防止することができる。

以下、図面を参照して、本発明のプラズマ発生電極及びプラズマ反応器の実施の形態について詳細に説明するが、本発明は、これに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。

図１は、本発明のプラズマ発生電極の一の実施の形態における、単位電極の表面に垂直な平面で切断した断面図である。また、図２は、本実施の形態のプラズマ発生電極を構成する単位電極の一例を示す平面図である。

図１及び図２に示すように、本実施の形態のプラズマ発生電極１は、互いに対向する二以上の板状の単位電極２と、単位電極２を所定間隔に隔てた状態で保持する保持部材５とを備え、単位電極２相互間に電圧を印加することによってプラズマを発生させることが可能なプラズマ発生電極１であって、互いに対向する単位電極２の少なくとも一方が、誘電体となるセラミック体３と、セラミック体３の内部に配設された導電膜４とを有するとともに、保持部材５は、単位電極２相互間の間隔の長さに相当する厚さを有し、互いに対向する単位電極２の一方の端部又は両方の端部に配置されたものであり、単位電極２を構成するセラミック体３のヤング率に対する保持部材５のヤング率の割合（以下、単に「ヤング率の割合」ということがある）が１より小さい、及び／又は単位電極２を構成するセラミック体３の熱伝導率に対する保持部材５の熱伝導率の割合（以下、単に「熱伝導率の割合」ということがある）が１より小さいものである。

上述したように、本実施の形態のプラズマ発生電極１を構成する単位電極２は、誘電体としてのセラミック体３と導電膜４とを有する、所謂、バリア放電型の電極であり、対向する単位電極２相互間に、少なくとも一方の単位電極２のセラミック体３を挟んだ状態で放電が行われるために、導電膜４単独で放電を行う場合と比較して、スパーク等の片寄った放電を減少させることができるとともに、単位電極２相互間に小さな放電を複数の箇所で起こすことができる。このような複数の小さな放電は、スパーク等の放電に比して流れる電流が少ないために、消費電力を削減することができ、さらに、誘電体が存在することによりイオンの移動開始以前に放電が停止し、単位電極２相互間では電子の移動が優位となり、温度上昇を伴わないノンサーマルプラズマを発生させることができる。このようなことから、本実施の形態のプラズマ発生電極１は、所定の成分を含むガスを反応させるプラズマ反応器、例えば、自動車のエンジンや燃焼炉等から排出される排気ガスを処理する排気ガス処理装置や、空気等に含まれる酸素を反応させてオゾンを精製するオゾナイザ等に用いることができる。

従来、自動車のエンジンから排出される排気ガスの処理にプラズマを用いる場合、プラズマを発生させるための電極の各構成要素が熱衝撃により破損するという問題があった。具体的には、このような電極が、互いに対向する単位電極と、この単位電極を所定の間隔に保持する保持部材とから構成されている場合には、保持部材の引張応力によって単位電極が破損することがあり、特に、単位電極を構成する構成要素のヤング率に対する保持部材のヤング率の割合、及び／又は単位電極を構成する構成要素の熱伝導率に対する保持部材の熱伝導率の割合が１以上であると、熱衝撃による保持部材や単位電極の破損が顕著になる。

図１に示すように、本実施の形態のプラズマ発生電極１においては、単位電極２を構成するセラミック体３のヤング率に対する保持部材５のヤング率の割合が１より小さく、及び／又は単位電極２を構成するセラミック体３の熱伝導率に対する保持部材５の熱伝導率の割合が１より小さくなるように構成されており、熱衝撃による破損、特に、保持部材５によって引き起こされる単位電極２の破損を有効に防止することができる。

ヤング率の割合及び／又は熱伝導率の割合が１より小さいということは、保持部材５と、単位電極２のセラミック体３とが、互いに異なる成分の材料から構成されてなるか、又は、同じ成分の材料から構成されてなる場合には、焼結助剤として含まれる粒界相成分をそれぞれ変えることにより、その気孔率を変化させてヤング率や熱伝導率が互いに異なるように制御した材料、もしくは、気孔径や気孔分布を変化させてヤング率や熱伝導率を互いに異なるように制御した材料から構成されてなるということである。このように、ヤング率の割合及び／又は熱伝導率の割合を１より小さくするためには、セラミック体３と保持部材５の材料を異ならせるだけでなく、それぞれを製造する過程において、例えば、セラミックの高度な焼結技術を用いることによって、そのヤング率や熱伝導率の制御が可能であり、ヤング率の割合及び／又は熱伝導率の割合を１より小さくすることができる。このような材料から構成された保持部材５や単位電極２を用いることにより、プラズマ発生電極１の破損に対する信頼性を向上させることができる。

単位電極２を構成するセラミック体３は、誘電体として好適に用いることができ、かつそのヤング率を測定することができる程度の強度を有するものを好適に用いることができる。本実施の形態のプラズマ発生電極１においては、セラミック体３を構成する材料については特に限定されることはないが、例えば、セラミック体３が、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、ムライト、コージェライト、マグネシウム−カルシウム−チタン系酸化物、バリウム−チタン−亜鉛系酸化物、及びバリウム−チタン系酸化物からなる群から選ばれる少なくとも一種の化合物を含むことが好ましい。このような化合物を含むことによって、耐熱衝撃性に優れたセラミック体３を得ることができる。本実施の形態に用いられるセラミック体３は、例えば、テープ状のセラミックグリーンシート等を用いて形成することができ、また、押出成形で得られたシートを用いても形成することができる。さらに、粉末乾式プレスで作製した平板を用いることも可能である。

プラズマ発生電極１を構成する保持部材５は、単位電極２相互間を所定間隔に隔てた状態で、単位電極２の少なくとも一方の端部を保持することができ、セラミック体３よりヤング率が小さい、及び／又はセラミック体３より熱伝導率が小さいものであれば、その材料については特に限定されることはないが、例えば、保持部材５が、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化珪素、窒化珪素、ジルコニア、ムライト、コージェライト、及び結晶化ガラスからなる群から選ばれる少なくとも一種の化合物を含むことが好ましい。また、保持部材５は、局所的な沿面放電の防止の観点から、電気絶縁性を有することが好ましい。

なお、本実施の形態のプラズマ発生電極１においては、セラミック体３のヤング率に対する保持部材５のヤング率の割合が０．８以下であることが好ましく、０．５以下であることがさらに好ましい。具体的には、例えば、セラミック体３が酸化アルミニウムから構成されている場合には、そのヤング率の割合が０．８以下となる保持部材５の材料として、酸化物セラミック、例えば、ジルコニア（酸化ジルコニウム）を挙げることができ、ヤング率の割合が０．５以下となる保持部材５の材料として、ガラス、結晶化ガラス、気孔径や気孔分布を制御した多孔質酸化アルミニウム等を挙げることができる。

また、本実施の形態のプラズマ発生電極１においては、セラミック体３の熱伝導率に対する保持部材５の熱伝導率の割合が０．５以下であることが好ましく、０．１以下であることがさらに好ましい。具体的には、例えば、セラミック体３が酸化アルミニウムから構成されている場合には、その熱伝導率の割合が０．５以下となる保持部材５の材料として、ムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）、フォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ₂）を挙げることができ、熱伝導率の割合が０．１以下となる保持部材５の材料として、コージェライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ₂Ｏ₃・５ＳｉＯ₂）、ステアタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ₂）、あるいは、気孔径を制御した多孔質ムライトを挙げることができる。

本実施の形態のプラズマ発生電極１に用いられる保持部材５は、ヤング率の割合及び／又は熱伝導率の割合が、上述した値を満足するものであればよく、そのヤング率の具体的な数値については特に限定されることはないが、例えば、保持部材５のヤング率が２５０ＧＰａ以下であることが好ましく、２００ＧＰａ以下であることがさらに好ましい。保持部材５のヤング率が２５０ＧＰａを超えると、単位電極２を保持する際に、その保持部分に大きな引張応力が発生して、単位電極２が破損する恐れがある。なお、ヤング率の測定方法としては、ＪＩＳ Ｒ１６０２に準じた、静的撓み法で測定するか、共振曲げ法で測定する。単位電極２及び保持部材５から所定の曲げ試験片を切出して測定するが、ＪＩＳ Ｒ１６０２に規定された試験片を切出すことが不可能な場合は、比例寸法の小型曲げ試験片で評価できる。また、単位電極２や保持部材５と同じ工程で作製された素材からＪＩＳ Ｒ１６０２に規定された曲げ試験片を切出して、ヤング率を評価してもよい。

同様に、本実施の形態のプラズマ発生電極１に用いられる保持部材５の熱伝導率の具体的な数値についても特に限定されることはないが、例えば、保持部材５の熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以下であることが好ましく、５Ｗ／ｍＫ以下であることがさらに好ましい。保持部材５の熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫを超えると、単位電極２を保持する際に、その保持部分の熱引きが大きく、熱衝撃によって単位電極２が破損する恐れがある。なお、熱伝導率の測定は、ＪＩＳ Ｒ１６１１に準じて、レーザーフラッシュ法で行うが、規定の直径及び厚さの円盤試験片を切出すことが不可能な場合は、小型の試験片でデータを得るとともに、単位電極２や保持部材５と同じプロセスで作製したセラミック部材から所定の寸法の試験片を切出し、熱伝導率をレーザーフラッシュ法で測定することができる。

また、保持部材５のヤング率の下限値については、特に限定されることはないが、ヤング率の割合が０．２以上であることが好ましい。また、保持部材５の曲げ極度は１００ＭＰａ以上であることが好ましい。ヤング率の割合が０．２未満で、かつその曲げ極度が１００ＭＰａ未満であると、単位電極２を有効に保持し得る機械的強度を得ることができない恐れがある。具体的には、例えば、保持部材５が、ヤング率５０ＧＰａ、熱伝導率３Ｗ／ｍＫ、曲げ強度４０ＭＰａのものであり、かつ単位電極２を構成するセラミック体３のヤング率に対する保持部材５のヤング率の割合が０．１９である場合には、単位電極２を構成するセラミック体３の破損を防止することができるが、逆に、保持部材５自体が破損する恐れがある。

また、セラミック体３が酸化アルミニウムから構成されている場合には、保持部材５の材料として、ジルコニア、ムライト、コージェライト、結晶化ガラス等が適している。また、その気孔率を制御した酸化アルミニウムも好適に用いることができる。気孔率を制御した酸化アルミニウムを用いる場合には、例えば、酸化アルミニウムの気孔率を２５％に制御すると、その熱伝導率が１５Ｗ／ｍＫで、ヤング率は１５０ＧＰａとなる。このような酸化アルミニウムは、本実施の形態のプラズマ発生電極１を構成する保持部材５の材料としては特に好適なものであり、熱衝撃による破損を有効に防止することができる。本実施の形態における気孔率の値は、アルキメデス法で測定した測定値のことである。

また、本実施の形態のプラズマ発生電極１においては、単位電極２を構成するセラミック体３の熱膨張率に対する保持部材５の熱膨張率の割合（以下、単に「熱膨張率の割合」ということがある）が０．２〜２であることが好ましく、０．５〜１であることがさらに好ましい。上述した熱膨張率の割合が２を超えると、保持部材５に生じる熱応力が大きくなりすぎて、保持部材５が破損することがある。また、熱膨張率の割合が０．２未満であると、逆に、単位電極２に生じる熱応力が大きくなりすぎて、単位電極２が破損することがある。熱膨張率は、ＪＩＳ Ｒ１６１８に準じて、押し棒示差式で測定するが、単位電極２及び保持部材５から所定の寸法の棒状試験片を切出すことが不可能な場合は、比例寸法の小型試験片で測定できる。

また、保持部材５は、対向する単位電極２を所定間隔に保持するものであることから電気絶縁性を有することが好ましく、その絶縁破壊電圧が５ｋＶ／ｍｍ以上であることがさらに好ましい。このように構成することによって、対向する単位電極２相互間の電気絶縁性を有効に保つことができる。特に、保持部材５が多孔質材料から構成されている場合には、その絶縁破壊電圧が低くなるために、予め絶縁破壊電圧が比較的に高い材料を用いることが好ましい。

単位電極２を構成する導電膜４は、単位電極２相互間に電圧を印加することによってプラズマを発生させることが可能なものであればよく、特に限定されることはないが、例えば、導電膜４が、タングステン、モリブデン、マンガン、クロム、チタン、ジルコニア、ニッケル、鉄、銀、銅、白金、及びパラジウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属を含むことが好ましい。

また、導電膜４を配設する方法については特に限定されることはないが、セラミック体３に塗工して形成、配設することが好ましい。具体的な方法としては、例えば、スクリーン印刷、カレンダーロール、スプレー、静電塗装、ディップ、ナイフコータ、化学蒸着、物理蒸着等を好適例として挙げることができる。このような方法によれば、塗工後の導電膜４表面の平滑性に優れ、かつ厚さの薄い導電膜４を容易に形成することができる。

図１に示したプラズマ発生電極１は、十枚の単位電極２が、保持部材５によって、一枚おきに、それぞれ交互に一組の端部の反対側で保持された構成となっているが、図３に示すように、単位電極２が、一組の端部の両方で保持部材５によって保持された構成としてもよい。この場合には、互いに対向する単位電極２において、それぞれ反対側の端部側から電圧を印加することができるように構成されてなることが好ましい。なお、図１及び図３においては、プラズマ発生電極１が十枚の単位電極２から構成されているが、単位電極２の枚数はこれに限定されることはない。

また、図１に示したプラズマ発生電極１は、全ての単位電極２が、誘電体となるセラミック体３と、そのセラミック体３の内部に配設された導電膜４とを有しているが、本実施の形態のプラズマ発生電極１においては、少なくとも一方の単位電極２がセラミック体３と導電膜４とを有していればよく、例えば、図４に示すように、プラズマ発生電極１を構成する単位電極２において、一方の単位電極２ａがセラミック体３と導電膜４を有し、対向する他方の単位電極２ｂが、単なる導電性を有する板状の電極であってもよい。この場合、対向する他方の単位電極２ｂの構成については特に限定されることはないが、従来公知の電極、例えば、導電性を有する金属から形成された板状の電極等を好適に用いることができる。なお、図３及び図４において、図１に示したプラズマ発生電極１と同様に構成されている各要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施の形態のプラズマ発生電極１においては、セラミック体３及び導電膜４の厚さについては、発生させるプラズマの大きさや強度、単位電極２に印可する電圧等を考慮して適宜選択して決定することができる。

単位電極２相互間の間隔については、必要とするプラズマの強度や、電圧を印加する電源等によって適宜選択して決定することが好ましく、例えば、排ガス中のＮＯ_xのＮＯ₂への変換に用いる場合には、単位電極２相互間の間隔を０．３〜２．０ｍｍにすることが好ましい。

なお、単位電極２相互間に電圧を印加して放電を行う際には、導電膜４に直接電圧を印可する必要があるために、単位電極２は、その一方の端部において、電源（図示せず）と導電膜４とを通電可能な状態としておくことが好ましい。

以下、本実施の形態のプラズマ発生電極の製造方法について具体的に説明する。

まず、プラズマ発生電極を構成するセラミック体となるテープ状のセラミックグリーンシートを形成するためのスラリー（セラミックグリーンシート製作用スラリー）を調製する。このスラリーは、所定のセラミック粉末に適当なバインダ、焼結助剤、可塑剤、分散剤、有機溶媒等を配合して調製する。上述したセラミック粉末としては、例えば、酸化アルミニウム、ムライト、コージェライト、窒化珪素、窒化アルミニウム等の粉末を好適に用いることができる。また、焼結助剤は、セラミック粉末１００質量部に対して、３〜１０質量部加えることが好ましく、可塑剤、分散剤及び有機溶媒については、従来公知のセラミックグリーンシートを形成するためのスラリーに使用されている可塑剤、分散剤及び有機溶媒を好適に用いることができる。なお、このセラミックグリーンシート製作用スラリーはペースト状であってもよい。

次に、得られたセラミックグリーンシート製作用スラリーを、ドクターブレード法、カレンダー法、印刷法、リバースロールコータ法等の従来公知の手法に従って、所定の厚さとなるように成形してセラミックグリーンシートを形成する。このようにして形成されたセラミックグリーンシートは、切断、切削、打ち抜き、連通孔の形成等の加工を施したり、複数枚のセラミックグリーンシートを積層した状態で熱圧着等によって一体的な積層物として用いてもよい。

一方、導電膜を形成するための導体ペーストを調製する。この導体ペーストは、例えば、モリブデン粉末にバインダ及びテルピネオール等の溶剤を加え、トリロールミルを用いて十分に混錬して得ることができる。なお、上述したセラミックグリーンシートとの密着性及び焼結性を向上させるべく、必要に応じて導体ペーストに添加剤を加えてもよい。

このようにして得られた導体ペーストを、セラミックグリーンシートの表面にスクリーン印刷等を用いて印刷して、所定の形状の導電膜を形成する。

次に、導電膜を印刷したセラミックグリーンシートと、これとは別のセラミックグリーンシートとを、印刷した導電膜を覆うようにして積層し、導電膜を内部に配設したセラミックグリーンシートを得る。このセラミックグリーンシートを積層する際には、温度１００℃、圧力１０ＭＰａで押圧しながら積層することが好ましい。

次に、導電膜を内部に配設したセラミックグリーンシートを焼成して単位電極を形成する。このようにして、本実施の形態のプラズマ発生電極に必要な枚数の単位電極を形成する。

また、別途、単位電極を所定の間隔に保持するための保持部材を形成する。本実施の形態のプラズマ発生電極に用いられる保持部材は、例えば、ジルコニア粉末と有機バインダの混合粉体を金型プレス成形後、バインダ仮焼、本焼成し、必要に応じて研削加工により最終寸法仕上げを行うことによって形成することができる。本実施の形態のプラズマ発生電極においては、単位電極を構成するセラミック体のヤング率に対する保持部材のヤング率の割合が１より小さい、及び／又は単位電極を構成するセラミック体の熱伝導率に対する保持部材の熱伝導率の割合が１より小さいものであることから、保持部材を形成する前に、上述した方法によって形成された単位電極を構成するセラミック体のヤング率及び／又は熱伝導率を測定し、その値よりも保持部材のヤング率及び／又は熱伝導率が小さくなるようにするために、保持部材の原料となる混合粉体として、セラミック体を形成するためのスラリーとは異なる材料を用いるか、又は、セラミック体を形成するためのスラリーと同じ材料を用いる場合には、混合紛体の配合の割合等を調節し、得られる保持部材の気孔率や気孔径や気孔分布等をセラミック体と変えることが可能な材料を用いることが好ましい。

次に、二つ以上の単位電極を、得られた保持部材で所定の間隔に保持することにより、本実施の形態のプラズマ発生電極を製造する。この際、互いに対向する単位電極の全てにセラミック体を有する電極を用いてもよいし、セラミック体を有する電極は対向する単位電極の一方のみとし、他方の電極は、従来公知の金属板等の電極を用いてもよい。なお、本実施の形態のプラズマ発生電極を製造する方法は上記の方法に限定されることはない。

次に、本発明のプラズマ反応器の一の実施の形態について具体的に説明する。図５（ａ）は、本発明のプラズマ反応器の一の実施の形態における、ガスの流れ方向を含む平面で切断した断面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。

図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、本実施の形態のプラズマ反応器１１は、図１に示したような本発明のプラズマ発生電極の一の実施の形態（プラズマ発生電極１）と、所定の成分を含むガスの流路（ガス流路１３）を内部に有するケース体１２とを備え、このガスがケース体１２のガス流路１３に導入されたときに、プラズマ発生電極１によって発生したプラズマによりガスに含まれる所定の成分が反応することが可能なものである。本実施の形態のプラズマ反応器１１は、排気ガス処理装置や、空気等に含まれる酸素を反応させてオゾンを精製するオゾナイザ等に好適に用いることができる。特に、本実施の形態のプラズマ反応器１１は、熱衝撃による破損が有効に防止されたプラズマ発生電極１を備えてなることから、自動車や燃焼炉等から排出される高温の排気ガスを処理するための排気ガス処理装置に特に好適に用いることができる。

本実施の形態のプラズマ反応器１１を構成するケース体１２の材料としては、特に制限はないが、例えば、優れた導電性を有するとともに、軽量かつ安価であり、熱膨張による変形の少ないフェライト系ステンレス等であることが好ましい。

また、図示は省略するが、本実施の形態のプラズマ反応器においては、プラズマ発生電極に電圧を印加するための電源をさらに備えていてもよい。この電源については、プラズマを有効に発生させることができる電流を供給することが可能なものであれば、従来公知の電源を好適に用いることができる。また上述した電源としては、パルス電源であることが好ましく、この電源が、その内部に少なくとも一つのＳＩサイリスタを有することがさらに好ましい。このような電源を用いることによって、さらに効率よくプラズマを発生させることができる。

また、本実施の形態のプラズマ反応器においては、上述したように電源を備えた構成とせずに、外部の電源から電流を供給するような構成としてもよい。

プラズマ反応器を構成するプラズマ発生電極に供給する電流については、発生させるプラズマの強度によって適宜選択して決定することができる。例えば、プラズマ反応器を自動車の排気系中に設置する場合には、プラズマ発生電極に供給する電流が、電圧が１ｋＶ以上の直流電流、ピーク電圧が１ｋＶ以上かつ１秒あたりのパルス数が１００以上（１００Ｈｚ以上）であるパルス電流、ピーク電圧が１ｋＶ以上かつ周波数が１００以上（１００Ｈｚ以上）である交流電流、又はこれらのいずれか二つを重畳してなる電流であることが好ましい。このように構成することによって、効率よくプラズマを発生させることができる。

以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
互いに対向する三十枚の板状の単位電極と、この単位電極を所定間隔に隔てた状態で保持する保持部材とを備えたプラズマ発生電極（実施例１）を製造した。プラズマ発生電極を構成する単位電極は、誘電体となるセラミック体と、セラミック体の内部に配設された導電膜とを有している。

単位電極を構成するセラミック体は、酸化アルミニウムを用いて形成し、本実施例においては、セラミック体の表面の形状を、一辺の長さが９０ｍｍ×５０ｍｍの長方形とし、その厚さを１ｍｍとした。また、導電膜は、タングステンを含むペーストを用い、セラミック体の略中央に印刷して形成した。導電膜の厚さは１０μｍとした。また、保持部材は、ジルコニアを用いて、セラミック体と接触する表面の形状が５ｍｍ×５０ｍｍで、対向する単位電極相互間の間隔の長さに相当する保持部材の厚さを１ｍｍとした。なお、本実施例においては、単位電極の片側の端部のみを保持部材で保持することとした。本実施例のプラズマ発生電極においては、単位電極を構成するセラミック体のヤング率に対する保持部材のヤング率の割合が０．６、単位電極を構成するセラミック体の熱伝導率に対する保持部材の熱伝導率の割合が０．１５であった。単位電極（セラミック体）及び保持部材を構成する材料と、そのヤング率、熱伝導率及び熱膨張率の値とをそれぞれ表１に示す。

本実施例のプラズマ発生電極を、８００℃の高温ガスと室温の冷却ガスを交互に導入する熱衝撃試験を行った。熱衝撃試験後に単位電極の損傷は認められなかった。

（実施例２）
保持部材が、気孔率が２５％の酸化アルミニウムを切削加工して形成されたものであること以外は、実施例１と同様に構成されたプラズマ発生電極（比較例１）を製造した。本実施例のプラズマ発生電極においては、保持部材の曲げ強度が２５０ＭＰａ、ヤング率が１５０ＧＰａ、熱伝導率が１５Ｗ／ｍＫであり、単位電極を構成するセラミック体のヤング率に対する保持部材のヤング率の割合が０．４７、単位電極を構成するセラミック体の熱伝導率に対する保持部材の熱伝導率の割合が０．７５であった。

本実施例のプラズマ発生電極を用いて、６００℃の高温ガスと室温の冷却ガスを交互に導入する熱衝撃試験を行った。熱衝撃試験後に単位電極の損傷は認められなかった。単位電極（セラミック体）及び保持部材を構成する材料と、そのヤング率、熱伝導率及び熱膨張率の値と、熱衝撃試験の結果とをそれぞれ表１に示す。

（実施例３）
窒化珪素から構成されたセラミック体を有する単位電極と、酸化アルミニウムから構成された保持部材とを用いてプラズマ発生電極（実施例３）を製造した。本実施例のプラズマ発生電極においては、単位電極を構成するセラミック体の熱伝導率に対する保持部材の熱伝導率の割合が０．２９であった。

本実施例のプラズマ発生電極を用いて、９００℃の高温ガスと室温の冷却ガスを交互に導入する熱衝撃試験を行った。熱衝撃試験後に単位電極の損傷は認められなかった。単位電極（セラミック体）及び保持部材を構成する材料と、そのヤング率、熱伝導率及び熱膨張率の値と、熱衝撃試験の結果とをそれぞれ表１に示す。

（比較例１）
保持部材が、実施例１の単位電極を構成するセラミック体と同じ酸化アルミニウムによって形成されたものであること以外は、実施例１と同様に構成されたプラズマ発生電極（比較例１）を製造した。

このプラズマ発生電極を用いて、６００℃の高温ガスと室温の冷却ガスを交互に導入する熱衝撃試験を行った。三十枚の単位電極のうち、三枚の単位電極が、１００回の熱衝撃試験で破損した。単位電極（セラミック体）及び保持部材を構成する材料と、そのヤング率、熱伝導率及び熱膨張率と、熱衝撃試験の結果とをそれぞれ表１に示す。

（比較例２）
保持部材が、実施例１の単位電極を構成するセラミック体よりヤング率が高く、熱伝導率の高い緻密質酸化アルミニウムによって形成されたものであること以外は、実施例１と同様に構成されたプラズマ発生電極（比較例２）を製造した。本比較例のプラズマ発生電極においては、単位電極を構成するセラミック体のヤング率に対する保持部材のヤング率の割合が１．０７、単位電極を構成するセラミック体の熱伝導率に対する保持部材の熱伝導率の割合が１．１であった。

このプラズマ発生電極を用いて、６００℃の高温ガスと室温の冷却ガスを交互に導入する熱衝撃試験を行った。三十枚の単位電極のうち、二枚の単位電極が、１０回の熱衝撃試験で破損した。単位電極（セラミック体）及び保持部材を構成する材料と、そのヤング率、熱伝導率及び熱膨張率と、熱衝撃試験の結果とをそれぞれ表１に示す。

本発明のプラズマ発生電極は、熱衝撃による破損を有効に防止することができることから、自動車や燃焼炉等から排出される高温の排気ガスを処理するための排気ガス処理装置に好適に用いることができる。

本発明のプラズマ発生電極の一の実施の形態における、単位電極の表面に垂直な平面で切断した断面図である。 本発明のプラズマ発生電極の一の実施の形態を構成する単位電極の一例を示す平面図である。 本発明のプラズマ発生電極の他の実施の形態における、単位電極の表面に垂直な平面で切断した断面図である。 本発明のプラズマ発生電極の他の実施の形態における、単位電極の表面に垂直な平面で切断した断面図である。 図５（ａ）は、本発明のプラズマ反応器の一の実施の形態における、ガスの流れ方向を含む平面で切断した断面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。

符号の説明

１…プラズマ発生電極、２…単位電極、３…セラミック体、４…導電膜、５…保持部材、１１…プラズマ反応器、１２…ケース体、１３…ガス流路。

Claims (10)

1. 互いに対向する二以上の板状の単位電極と、前記単位電極を所定間隔に隔てた状態で保持する保持部材とを備え、前記単位電極相互間に電圧を印加することによってプラズマを発生させることが可能なプラズマ発生電極であって、
   互いに対向する前記単位電極の少なくとも一方が、誘電体となるセラミック体と、前記セラミック体の内部に配設された導電膜とを有するとともに、
   前記保持部材は、前記単位電極相互間の間隔の長さに相当する厚さを有し、互いに対向する前記単位電極の一方の端部又は両方の端部に配置されたものであり、
   前記単位電極を構成する前記セラミック体のヤング率に対する前記保持部材のヤング率の割合が１より小さい、及び／又は前記単位電極を構成する前記セラミック体の熱伝導率に対する前記保持部材の熱伝導率の割合が１より小さいプラズマ発生電極。
2. 前記保持部材が、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化珪素、窒化珪素、ジルコニア、ムライト、コージェライト、及び結晶化ガラスからなる群から選ばれる少なくとも一種の化合物を含む請求項１に記載のプラズマ発生電極。
3. 前記セラミック体が、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、ムライト、コージェライト、マグネシウム−カルシウム−チタン系酸化物、バリウム−チタン−亜鉛系酸化物、及びバリウム−チタン系酸化物からなる群から選ばれる少なくとも一種の化合物を含む請求項１又は２に記載のプラズマ発生電極。
4. 前記単位電極を構成する前記セラミック体のヤング率に対する前記保持部材のヤング率の割合が０．８以下である請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ発生電極。
5. 前記保持部材のヤング率が２５０ＧＰａ以下である請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ発生電極。
6. 前記単位電極を構成する前記セラミック体の熱伝導率に対する前記保持部材の熱伝導率の割合が０．５以下である請求項１〜５のいずれかに記載のプラズマ発生電極。
7. 前記保持部材の熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以下である請求項１〜６のいずれかに記載のプラズマ発生電極。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載のプラズマ発生電極と、所定の成分を含むガスの流路（ガス流路）を内部に有するケース体とを備え、前記ガスが前記ケース体の前記ガス流路に導入されたときに、前記プラズマ発生電極で発生したプラズマにより前記ガスに含まれる前記所定の成分が反応することが可能なプラズマ反応器。
9. 前記プラズマ発生電極に電圧を印加するためのパルス電源をさらに備えた請求項８に記載のプラズマ反応器。
10. 前記パルス電源が、その内部に少なくとも一つのＳＩサイリスタを有する請求項９に記載のプラズマ反応器。

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