JP5483868B2 - プラズマ発生電極、およびプラズマ反応器 - Google Patents

Description

本発明は、単位電極間に電圧を印加することによって当該単位電極間にプラズマを発生させることが可能なプラズマ発生電極、およびプラズマ反応器に関する。

従来から、ディーゼルエンジン、ガスタービン等の内燃機関、ボイラ等の外燃機関の燃料として軽油や重油が使用されている。軽油や重油を燃料として使用した場合、燃焼時に、浮遊粒子物質（以下、「ＳＰＭ」と称する）、窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」と称する）、炭化水素（以下、「ＨＣ」と称する）、および一酸化炭素（以下、「ＣＯ」と称する）等が発生する。燃焼時に発生するＳＰＭ、ＮＯｘ、ＨＣ、およびＣＯ等は、排気ガスとして大気へ放出されることになる。

ここで、ＳＰＭは、人体に対して癌を誘発する（発癌性）等の健康被害を及ぼすことが知られている。また、ＮＯｘは、酸性雨や光化学スモッグ等の環境破壊を引き起こす原因となることが知られている。さらに、ＨＣおよびＣＯも、人体および動植物へ悪影響を及ぼすことが知られている。このため、ＳＰＭ、ＮＯｘ、ＨＣ、およびＣＯ等を排気ガスとして大気へ放出する際に、ＳＰＭ、ＮＯｘ、ＨＣ、およびＣＯ等を無害なものに処理する必要がある。ＳＰＭ、ＮＯｘ、ＨＣ、およびＣＯ等を無害なものに処理する装置として、従来から、プラズマ発生電極を含むプラズマ反応器が知られている（例えば、特許文献１参照）。

ここで、プラズマ反応器を構成するプラズマ発生電極は、一般に、次のような構成を備えている。すなわち、セラミック体と金属体とを含む単位電極が、金属体が互いに対向するように、少なくとも二つ備えられている。なお、セラミック体の上部に形成されたメタライズ層と金属体とがロウ材によってロウ付けされていることにより、セラミック体と金属体とは互いに接合されている。このため、セラミック体と金属体との接合部分であるメタライズ層およびロウ材が、排気ガスによって腐食しないように、金属体全体を覆う保護膜が、セラミック体の上部に形成されている（例えば、特許文献２参照）。

このようなプラズマ発生電極は、単位電極間に電圧を印加し、個々の単位電極を放電させることによって、単位電極間にプラズマを発生させることができる。このため、上記のプラズマ反応器は、プラズマが発生された単位電極間に、排気ガスを通過させることにより、排気ガスに含まれるＳＰＭ、ＮＯｘ、ＨＣ、およびＣＯ等を無害なものに処理することができる。具体的には、単位電極間に発生されたプラズマによって、短時間のうちに、排気ガスに含まれるＳＰＭが酸化され、ＮＯｘおよびＣＯが分解され、ＨＣが分解されてＣＯ_２になり、無害な排気物質となって大気へ放出される。
特開２００５−１２９２４７号公報 特開２００５−９３１０７号公報

しかしながら、上記従来のプラズマ発生電極においては、セラミック体と金属体との接合部分であるメタライズ層およびロウ材が、プラズマを発生させるための金属体の放電によって、腐食してしまう。

また、上記従来のプラズマ発生電極においては、セラミック体と金属体との接合部分であるメタライズ層およびロウ材が、排気ガスによって腐食しないように、金属体全体を覆う保護膜が、セラミック体の上部に形成されている。しかしながら、一般に、金属体の端部には、十分な厚さで保護膜を形成することは難しい。このため、保護膜を形成しているにも関わらず、金属体の端部から排気ガスが侵入することによって、セラミック体と金属体との接合部分であるメタライズ層およびロウ材が腐食してしまうことがあった。

このように、セラミック体と金属体との接合部分であるメタライズ層およびロウ材が腐食すると、セラミック体と金属体とが剥がれ易くなる。セラミック体と金属体とが剥がれ易くなるので、金属体が十分に放電することができない場合があった。このため、排気ガスに含まれるＳＰＭ、ＮＯｘ、ＨＣ、およびＣＯ等を無害なものに処理することができない場合があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、金属体とセラミック体との接合部分が、例えば、金属体の放電や排気ガスによって腐食するのを抑制することができ、しかも、金属体とセラミック体とを強固に接合することができるプラズマ発生電極、およびプラズマ反応器を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明におけるプラズマ発生電極は、セラミック体と金属体とを含む単位電極を、前記金属体同士が互いに直接に対向するように、少なくとも二つ備え、前記単位電極間に電圧を印加することによって当該単位電極間に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、前記金属体の金属原子が前記セラミック体へ拡散されていることにより、前記金属体と前記セラミック体とが接合されており、前記金属体が、前記金属体に覆われている箇所で前記セラミック体の内部に形成された電気配線に接続されている。

本発明のプラズマ発生電極によれば、金属体の金属原子がセラミック体へ拡散されていることにより、金属体とセラミック体とが接合されているので、金属体とセラミック体との接合部分が、金属体の放電や排気ガスによって腐食するのを抑制することができる。また、金属体の金属原子がセラミック体へ拡散されていることにより、金属体とセラミック体とが接合されているので、金属体とセラミック体とを強固に接合することができる。

上記目的を達成するために本発明におけるプラズマ発生電極は、セラミック体と金属体とを含む単位電極を、前記金属体同士が互いに直接に対向するように、少なくとも二つ備え、前記単位電極間に電圧を印加することによって当該単位電極間に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、前記金属体と前記セラミック体との間に、前記金属体の金属原子と酸素とから得られる酸化物が介在されており、前記金属体が、前記金属体に覆われている箇所で前記セラミック体の内部に形成された電気配線に接続されている。

上記目的を達成するために本発明におけるプラズマ反応器は、本発明のプラズマ発生電極を含み、前記単位電極間に、所定の成分を含むガスが通過した場合に、前記単位電極間に発生され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。

以上のように、本発明のプラズマ発生電極、およびプラズマ反応器は、金属体とセラミック体との接合部分が、例えば、金属体の放電や排気ガスによって腐食するのを抑制することができ、しかも、金属体とセラミック体とを強固に接合することができるという効果を奏する。

本発明の実施形態において、前記金属体の表面の端部が曲面状に形成されている態様とするのが好ましい。この態様によれば、金属体の表面の端部が曲面状に形成されているので、金属体の表面の端部が角状に形成されている態様と比較して、金属体の表面全体に渡ってプラズマを発生させることができる。

本発明の実施形態において、前記金属体の表面が凸凹に形成されている態様とするのが好ましい。この態様によれば、金属体の表面が凸凹に形成されているので、金属体の表面の凸凹の凸における電界の強さが、金属体の表面の端部周囲の電界の強さとほぼ等しくなる。これにより、金属体の表面全体に渡って一様にプラズマを発生させることができる。

本発明の実施形態において、前記金属体の裏面に切欠部が複数形成されており、前記切欠部が形成されていない箇所における前記金属体の裏面と、前記セラミック体とが拡散接合されている態様とするのが好ましい。この態様によれば、切欠部が形成されていない箇所における金属体の裏面と、セラミック体とが拡散接合されているので、セラミック体と熱膨張係数の異なる金属体を用いた場合であっても、セラミック体と金属体との間で発生する熱応力が、切欠部で吸収緩和される。熱応力が切欠部で吸収緩和されるので、セラミック体から金属体が剥がれ難くなる。この結果、セラミック体と金属体との接合の信頼性が向上する。

本発明の実施形態において、前記金属体の裏面に突起部が複数形成されており、前記金属体の裏面に形成された複数の突起部と前記セラミック体とが拡散接合されている態様とするのが好ましい。この態様によれば、金属体の裏面に形成された複数の突起部とセラミック体とが拡散接合されているので、セラミック体と熱膨張係数の異なる金属体を用いた場合であっても、セラミック体と金属体との間で発生する熱応力が、突起部で吸収緩和される。熱応力が突起部で吸収緩和されるので、セラミック体から金属体が剥がれ難くなる。この結果、セラミック体と金属体との接合の信頼性が向上する。

本発明の実施形態において、前記金属体が、銅、クロム、ニッケル、チタン、またはステンレス鋼である態様とするのが好ましい。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

ただし、以下で参照する各図は、説明の便宜上、本発明の一実施形態の構成部材のうち、本発明を説明するために必要な主要部材のみを簡略化して示したものである。したがって、本発明に係るプラズマ発生電極、およびプラズマ反応器は、本明細書が参照する各図に示されていない任意の構成部材を備え得る。また、各図中の部材の寸法は、実際の構成部材の寸法および各部材の寸法比率等を忠実に表したものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマ発生電極１の一例を示す斜視図である。図２は、図１中に示した切断線Ａ−Ａ´に沿って切断した断面図である。図１および図２に示すように、プラズマ発生電極１は、セラミック体２と金属体３とを含む単位電極４を、金属体３が互いに対向するように、二つ備えたものである。ここで、単位電極４間に電圧を印加することによって単位電極４間にプラズマを発生させることができる。なお、図１および図２では、説明の簡略化のために、単位電極４を二つ図示したが、これに限定されない。すなわち、単位電極４は、二つ以上備えられていればよい。

セラミック体２は、酸化アルミニウム（アルミナ）、窒化珪素、窒化アルミニウム、ムライト等のセラミックからなる。なお、セラミック体２は、金属体３を支える支柱としても機能するため、セラミックの中でも、特に、アルミナのような高強度なセラミックであることが好ましい。

金属体３は、銅、クロム、ニッケル、チタン、またはステンレス鋼等の金属からなる。ここで、本実施形態においては、金属体３の表面には、不動態膜（酸化被膜）が形成されている。金属体３の表面に不動態膜が形成されているので、金属体３は、耐腐食性および耐熱性を有することになる。すなわち、詳細は後述するように、本実施形態に係るプラズマ発生電極１は、例えば、排気ガスに含まれるＳＰＭ、ＮＯｘ、ＨＣ、およびＣＯ等を無害なものに処理するプラズマ反応器（図３参照）に好適に用いることができるため、金属体３の表面には、不動態膜が形成されていることが好ましい。なお、耐腐食性および耐熱性が求められていない場合、金属体３の表面には、不動態膜が形成されていなくともよい。また、不動態膜が形成された金属体３全体を覆う保護膜が、セラミック体２の上部に形成されていてもよい。

本実施形態においては、金属体３の金属原子がセラミック体２へ拡散されていることにより、金属体３とセラミック体２とは接合されている（いわゆる拡散接合）。ここで、拡散接合とは、セラミック体２と金属体３とを、加熱・加圧し、原子の拡散を利用して接合することをいう。より具体的には、拡散接合とは、所望の温度までセラミック体２と金属体３とを加熱しつつ、セラミック体２と金属体３との接合面に垂直な両方向からセラミック体２および金属体３双方に圧力を加えることにより、セラミック体２と金属体３とを密着させて接合することをいう。すなわち、言い換えるならば、金属体３とセラミック体２とが、金属体３の金属原子と酸素とから得られる酸化物からなる接合層を介して接合されている。つまり、酸化物は金属体３へ入り込んでいない。なお、拡散接合には、固相拡散接合や液晶拡散接合も含む。なお、セラミック体２と金属体３との拡散接合の方法については後述する。

図３は、本発明の一実施形態に係るプラズマ反応器１０の一例を示す断面図である。なお、図３では、説明の簡略化のために、ハッチングを省略している。図３に示すように、プラズマ反応器１０は、本実施形態に係るプラズマ発生電極１を含んでいる。ここで、本実施形態に係るプラズマ反応器１０には、単位電極４相互間を所定の間隔に隔てるための保持部材５が設けられている。保持部材５は、その内面がプラズマの発生する領域と接触していることから、耐腐食性、耐熱性、および絶縁性を有していることが好ましい。すなわち、保持部材５は、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウム、ムライト等のセラミックからなる。なお、保持部材５は、セラミック体４とボルトにて接続されている。

また、本実施形態に係るセラミック体２の内部には、電気配線２ａが形成されている。電気配線２ａがセラミック体２の内部に形成されているので、排気ガスによって電気配線２ａが腐食するのを防止することができる。ここで、電気配線２ａは、金属体３と電気的接点２ｂ（もしくは図示しない外部電源）とを電気的に接続するための配線である。なお、電気配線２ａは、タングステンやモリブデン−マンガン等の公知のメタライズ層からなる。

なお、電気配線２ａが金属体３と接続される部位は、図３に示すように、周囲が金属体３に覆われている箇所であることが好ましい。すなわち、電気配線２ａが金属体３と接続される部位の周囲が金属体３に覆われていれば、排気ガスによって、電気配線２ａが腐食するのを防止することができる。

また、本実施形態に係るセラミック体２の側部（外部）には、電気的接点２ｂが設けられている。電気的接点２ｂには、電気配線２ａが接続されるとともに、図示しない外部電源が接続される。これにより、金属体３には、電気的接点２ｂ、および電気配線２ａを介して、外部電源から電圧が印加されることになる。金属体３に電圧が印加されるので、金属体３が放電し、単位電極４間にプラズマを発生させることができる。これにより、本実施形態に係るプラズマ反応器１０は、単位電極４間に、所定の成分を含むガス（例えば、排気ガス）が通過した場合に、単位電極４間に発生され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。すなわち、単位電極４間に発生されたプラズマによって、排気ガスに含まれるＳＰＭが酸化され、ＮＯｘおよびＣＯが分解され、ＨＣが分解されてＣＯ_２になり、無害な排気物質となって大気へ放出される。

次に、セラミック体２と金属体３との拡散接合の方法の一例について説明する。

すなわち、セラミック体２の上面に、例えば、０．５ｍｍ厚の金属体３（例えば、チタン）を載置する。金属体３が載置されたセラミック体２を、温度８００〜８５０℃、真空度１×１０^−５Ｔｏｒｒ程度の真空炉に入れる。そして、金属体３の上面から４ｔ／ｃｍ^２程度の圧力をかける。これにより、金属体３の金属原子がセラミック体２へ拡散され、金属体３とセラミック体２とが接合（拡散接合）される。なお、セラミック体２と金属体３との拡散接合の方法は、これに限定されない。

ところで、本実施形態においては、セラミック体２の内部に電気配線２ａが形成されているので、金属体３と電気配線２ａとを接続するためには、電気配線２ａの先端部（以下、「ランド部」と称する）をセラミック体２から突出させておくことが好ましい。なお、ランド部の代わりに、電気配線２ａと電気的に導通可能なロウ材等の接着剤が設けられていてもよい。ここで、例えば、ランド部をセラミック体２から１０〜２０μｍほど突出させておく。ここで、金属体３としてチタンを用いた場合に、チタンは柔軟な金属であるので、ランド部とチタン（金属体３）とを拡散接合する際、チタンが変形することにより、ランド部とチタンとは良好に拡散接合される。一方、これとは逆に、金属体３としてチタン以外の柔軟でない金属（例えば、クロム、ニッケル等）を用いた場合に、ランド部と対応する金属体の箇所に凹部を形成しておくことにより、ランド部と金属体とは良好に拡散接合される。なお、この場合、ランド部と金属体の凹部との間にロウ材等の接着剤を介在した上で、ランド部と金属体とを拡散接合させることが好ましい。

以上のように、本実施形態に係るプラズマ発生電極１によれば、金属体３の金属原子がセラミック体２へ拡散されていることにより、金属体３とセラミック体２とが接合されているので、金属体３とセラミック体２との接合部分が、金属体３の放電や排気ガスによって腐食するのを抑制することができる。また、金属体３の金属原子がセラミック体２へ拡散されていることにより、金属体３とセラミック体２とが接合されているので、金属体３とセラミック体２とを強固に接合することができる。

なお、上述した実施形態は、本発明の実施形態の一具体例を示すものであり、種々の変更が可能である。以下、いくつかの主な変更例を示す。

（変更例１）
上述の実施形態における図１および図２では、金属体の表面の端部（特に、４つ角）が角状に形成されている例について図示した。しかしながら、金属体の表面の端部が角状に形成されていると、金属体の表面の端部周囲、すなわち、４つ角周囲の電界が強くなる。このため、金属体の表面の４つ角周囲には、その他の箇所と比較して、より強いプラズマが発生することになる。すなわち、発生するプラズマの強さが金属体の場所によって異なることは望ましくない。そこで、変更例１では、図４に示すように、金属体３ａの表面の端部Ｅが曲面状に形成されている例について説明する。

すなわち、図４に示すように、金属体３ａの表面の端部Ｅが曲面状に形成されているので、金属体の表面の端部が角状に形成されている態様と比較して、金属体３ａの表面全体に渡って一様にプラズマを発生させることができる。

（変更例２）
上述の実施形態における図１および図２では、金属体の表面がなだらかに形成されている例について図示した。しかしながら、変更例１において説明したように、金属体の表面の端部周囲、すなわち、４つ角周囲の電界が強くなってしまう。このため、金属体の表面の４つ角周囲には、その他の箇所と比較して、より強いプラズマが発生することになる。すなわち、発生するプラズマの強さが金属体の場所によって異なることは望ましくない。そこで、変更例２では、図５および図６に示すように、金属体３ｂの表面Ｓが凸凹に形成されている例について説明する。なお、図５は、図６の態様と比較して、金属体３ｂの表面Ｓの凸凹における凸が角状になっている。

すなわち、図５および図６に示すように、金属体３ｂの表面Ｓが凸凹に形成されているので、金属体３ｂの表面Ｓの凸凹の凸における電界の強さが、金属体３ｂの表面の端部（４つ角）周囲の電界の強さとほぼ等しくなる。これにより、金属体３ｂの表面全体に渡って一様にプラズマを発生させることができる。なお、金属体３ｂの表面Ｓにおける凸凹の間隔は、より狭い方が好ましい。凸凹の間隔が狭いと、金属体３ｂの表面全体に渡ってより一様にプラズマを発生させることができる。

（変更例３）
上述の実施形態における図１および図２では、金属体の裏面全てがセラミック体と拡散接合されている例について図示した。しかしながら、例えば、セラミック体と熱膨張係数の異なる金属体を用いた場合には、セラミック体と金属体とを拡散接合した場合であっても、セラミック体から金属体が剥がれる可能性がある。すなわち、セラミック体と金属体との接合の信頼性が低下する。そこで、変更例３では、図７に示すように、金属体３ｃの裏面に切欠部Ｌが複数形成されており、切欠部Ｌが形成されていない箇所における金属体３ｃの裏面と、セラミック体２とが拡散接合されている例について説明する。

すなわち、図７に示すように、切欠部Ｌが形成されていない箇所における金属体３ｃの裏面と、セラミック体２とが拡散接合されているので、セラミック体２と熱膨張係数の異なる金属体３ｃを用いた場合であっても、セラミック体２と金属体３ｃとの間で発生する熱応力が、切欠部Ｌで吸収緩和される。熱応力が切欠部Ｌで吸収緩和されるので、セラミック体２から金属体３ｃが剥がれ難くなる。この結果、セラミック体２と金属体３ｃとの接合の信頼性が向上する。

また、図７に示すように、切欠部Ｌは、金属体３ｃの裏面に、同心円状に形成されていることが好ましい。切欠部Ｌが同心円状に形成されているので、セラミック体２と金属体３ｃとの間で発生する熱応力が、バランス良く切欠部Ｌで吸収緩和される。

なお、上記では、金属体３ｃの裏面に切欠部Ｌが複数形成されている例について説明したが、これに限定されない。すなわち、金属体の裏面に突起部が複数形成されていてもよい。この場合、金属体の裏面に形成された複数の突起部とセラミック体とが拡散接合される。金属体の裏面に形成された複数の突起部とセラミック体とが拡散接合されているので、セラミック体と熱膨張係数の異なる金属体を用いた場合であっても、セラミック体と金属体との間で発生する熱応力が、突起部で吸収緩和される。熱応力が突起部で吸収緩和されるので、セラミック体から金属体が剥がれ難くなる。この結果、セラミック体と金属体との接合の信頼性が向上する。

以上のように、本発明は、金属体の放電や排気ガスによっても、セラミック体と金属体との接合部分が腐食することなく、セラミック体と金属体とを強固に接合することができるプラズマ発生電極、またはプラズマ反応器として有用である。

図１は、本実施形態に係るプラズマ発生電極の一例を示す斜視図である。 図２は、図１中に示した切断線Ａ−Ａ´に沿って切断した断面図である。 図３は、本実施形態に係るプラズマ反応器の一例を示す断面図である。 図４は、変更例１に係るプラズマ発生電極の一例を示す断面図である。 図５は、変更例２に係るプラズマ発生電極の一例を示す断面図である。 図６は、変更例２に係るプラズマ発生電極の他の例を示す断面図である。 図７は、変更例３に係るプラズマ発生電極の一例を示す平面図である。

符号の説明

１ プラズマ発生電極
２ セラミック体
３ 金属体
３ａ 金属体
３ｂ 金属体
３ｃ 金属体
４ 単位電極
１０ プラズマ反応器

Claims (8)

1. セラミック体と金属体とを含む単位電極を、前記金属体同士が互いに直接に対向するように、少なくとも二つ備え、前記単位電極間に電圧を印加することによって当該単位電極間に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、
   前記金属体の金属原子が前記セラミック体へ拡散されていることにより、前記金属体と前記セラミック体とが接合されており、前記金属体が、前記金属体に覆われている箇所で前記セラミック体の内部に形成された電気配線に接続されていることを特徴とするプラズマ発生電極。
2. セラミック体と金属体とを含む単位電極を、前記金属体同士が互いに直接に対向するように、少なくとも二つ備え、前記単位電極間に電圧を印加することによって当該単位電極間に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、
   前記金属体と前記セラミック体との間に、前記金属体の金属原子と酸素とから得られる酸化物が介在されており、前記金属体が、前記金属体に覆われている箇所で前記セラミック体の内部に形成された電気配線に接続されていることを特徴とするプラズマ発生電極。
3. 前記金属体の表面の端部が曲面状に形成されている、請求項１または２に記載のプラズマ発生電極。
4. 前記金属体の表面が凸凹に形成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマ発生電極。
5. 前記金属体の裏面に切欠部が複数形成されており、
   前記切欠部が形成されていない箇所における前記金属体の裏面と、前記セラミック体とが拡散接合されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマ発生電極。
6. 前記金属体の裏面に突起部が複数形成されており、
   前記金属体の裏面に形成された複数の突起部と前記セラミック体とが拡散接合されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマ発生電極。
7. 前記金属体が、銅、クロム、ニッケル、チタン、またはステンレス鋼である、請求項１〜６のいずれか一項に記載のプラズマ発生電極。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のプラズマ発生電極を含み、
   前記単位電極間に、所定の成分を含むガスが通過した場合に、前記単位電極間に発生され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、プラズマ反応器。
   

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