JP5593589B2 - プラズマ発生装置 - Google Patents
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また、請求項1のプラズマ発生装置において、電極の形状が板状であることを特徴とするものである。電極形状を板状とすることでプラズマを発生する膜の表面積を大きく取ることができ、高いオゾン発生性能および空気浄化性能を得ることができる。また、ギャップを設けながら2個の板状の電極を互いに対向させて配置することでギャップ中に一様な電場が形成され、膜の表面と空気の接触する領域において電子の加速度が均一になり、一様なプラズマを得ることが可能となるという作用を有する。
h+(正孔)+H2O→H++OH・
e-(電子)+O2+H+→HO2・
光触媒材料は受ける光量が大きいほど強く励起されるが、光源と光触媒の間に空気の層が大きな距離をもって存在するほど光は分散するため、発光材料から発光された全ての光を光触媒材料が受けられない。また、光源と光触媒の間に光透過性材料が存在する場合も、光透過性材料の表面で屈折もしくは反射を起こすため、発光材料から発光された全ての光を光触媒材料が受けられない。すなわち光触媒材料と光源が中間層を持たずに隣接している形態が、光触媒材料を最も強く励起させることができる。本発明のプラズマ発生装置では膜の表面全体から一様に目視可能な強い発光強度を有する紫外線が発生しており、この紫外線の直近に光触媒を存在させることで、例えば紫外線ランプの紫外線を光触媒に当てるよりも強い酸化力を得ることができる。具体的には請求項3に記載してあるように膜の上に光触媒を設ける方法が挙げられる。ここで膜のピンホールを完全に覆わずに光触媒を設けることが膜の表面でプラズマを発生させるためのポイントとなる。例えば膜の表面に光触媒を付着させたり、膜の表面に光触媒を担持したメッシュ状のシートを設けたりする方法である。膜は光触媒の層によって完全に覆われていないため、プラズマの発生および維持が可能となっている。そしてプラズマ発光による紫外線を間に何も挟まずに直近で受けるため、光触媒は強く励起され、そして強い酸化作用を得ることができる。したがって膜表面に付着した空気中の菌やウイルスはその酸化作用を受けて死滅にいたり、また、膜表面に付着した空気中の不純物ガス、特に炭化原子と水素原子および酸素原子などで構成される有機系ガスは光触媒の酸化作用によって最終的に水と二酸化炭素に分解する。不純物ガスの例としてトルエンやホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、酢酸などの有機系ガスが挙げられる。これらのガスは有機溶剤や建材用接着剤などに含まれており、空気中に揮発して人々の健康を害する原因物質とされている。
2個の電極板を互いに対向させたプラズマ発生装置の正面図を図1に示す。なお電極板は棒のような形状に見えるが実際には奥行を有する板形状である。図1に示すように高圧電源1によって高電圧が印加される高圧電極板2とアースに接続されるアース電極板3はギャップ4を設けながら互いに対向して設けられており、また、高圧電極板2およびアース電極板3の両方とも表面にはピンホール5を有する絶縁性の膜6が設けられている。ここで図1においてマイナスの高電圧が印加されている高圧電極板2に設けられた膜6の表面にはピンホール5から供給された電子7が存在している。ここで高圧電極板2とアース電極板3との間に火花放電が起こるほどの電圧を高圧電極板2に印加すると、火花放電が起こった膜6の表面から電子7がギャップ4内に飛び出す。ギャップ4に飛び出した電子7は高圧電極板2によってアース電極板3に向かって加速される。そして加速されて大きな速度を有した電子7はギャップ内の気体分子8と衝突して気体分子8を電離する。電離した気体分子8(g)はプラスイオン9(g+)と電子7(e)とに別れ、プラスイオン9は高圧電極板2に引き寄せられ、電子7は高圧電極板2から反発力を受けてアース電極板3へと向かい、アース電極板3の膜6表面に付着し、ピンホール5を通じてアース電極板3に吸収される。高圧電極板2に引き寄せられたプラスイオン9は高圧電極板2の膜6の表面に衝突し、膜6の表面に存在する電子7を衝撃でたたき出す。そしてたたき出された電子7はまた加速されて大きな速度を持つようになり、気体分子8と衝突して気体分子8をプラスイオン9と電子7に電離する。この繰り返しによって電子7とプラスイオン9が膜6の表面とギャップ4内の空気との接触領域で充満するようになり、電子7の衝突によって高いエネルギーを得たプラスイオン9が再び電子7と結合して基底状態に戻る際に発光し、紫外線を放出する。同時に空気中に含まれる酸素分子は電子7が衝突することにより解離して酸素原子になり、別の酸素分子と結合することでオゾンとなる。この時マイナスの電圧が印加された高圧電極板2の表面全体が紫色に発光し、プラズマが膜6の表面と空気との接触領域全体で発生する。ここで高圧電極板2に一面に発生したプラズマ発光の効果を調べるために以下の条件で試作を作成して実験を行った。高圧電極板2およびアース電極板3はステンレス製であり、大きさは高さ390mm、奥行240mm、厚み0.5mmである。高圧電極板2およびアース電極板3の両方ともポリエーテルサルフォン(PES)樹脂を複合化して耐熱性および接着強度を向上させたポリテトラフルオロエチレン(PTFE)樹脂塗料を付着させて焼き付け、表面全体に厚さ約20μmのフッ素樹脂の膜6を設けた。この膜6を光学顕微鏡で観察したところ、5〜30μmの孔径を有するピンホール5が1mm2あたり10個以上存在することが確認できた。また、測定プローブおよび超高抵抗微小電流計を用いて300Vの電圧を印加した時の膜6の体積抵抗率および表面抵抗率を測定した結果、体積抵抗率、表面抵抗率とも10の16乗以上を示しており、高い絶縁性を有することがわかった。その結果を表1に示す。
図2および図3にあるようなプラズマ発生装置を作成し、本発明のプラズマ発生装置による不純物ガスの浄化性能とオゾン発生性能を調べた。このプラズマ発生装置の正面図を図2に、側面図を図3に示す。不純物ガスの浄化作用を高めるために上記実施の形態1で作成した3mmのギャップ4を有するプラズマ発生装置の試作において、両電極板の膜6の表面に1〜100μmの粒径を有する粉末状の酸化チタン10を振りかけて付着させた。そして両電極板を積層した電極板積層部11の下流側に送風機12を設け、約0.3m/sの風速で通気方向13の方向に強制的に空気をギャップ4に流す構造とした。なお、図2には図面の都合上送風機12を省略してあるが実際には電極板積層部11の下流側に設けられている。このプラズマ発生装置を容積1m3のアクリル製ボックス(以下1m3ボックスとする)の中に入れた後に密閉し、アセトアルデヒドの溶液を揮発させて約11ppmとなるよう1m3ボックスの中にアセトアルデヒドガスを充満させた。この状態で15分後にプラズマ発生装置にプラズマを発生させて送風機を運転し、ガス検知管を用いてアセトアルデヒドガスの濃度変化およびオゾンの濃度変化を調べた。プラズマは、ギャップ4が3mm、電圧が直流の−1.78kV、電流が5mAとなる条件で発生させた。結果を図4に示す。図4に示すようにプラズマを発生させない状態ではアセトアルデヒドガスの濃度はほとんど変化しないが、プラズマを発生させてから徐々に低下し、プラズマを発生させてから60分経過した後には3ppmとなり約72%のアセトアルデヒドガスが除去された。また、オゾンの濃度はプラズマを発生させてから徐々に増え、60分後には95ppmに達した。この実験の結果、本発明のプラズマ発生装置はアセトアルデヒドガスのような有機系の不純物ガスを高い効率で分解除去し、また、多量のオゾンを発生することが可能であることがわかった。今回の実験ではゼオライトなどの吸着剤を活用した検討を行わなかったが、膜6の表面に酸化チタンと同様に吸着剤を設けることで不純物ガスのより高い除去性能を得ることができるといえる。
膜6に酸化チタン10および吸着剤14を含有させたプラズマ発生装置を図5に示す。図5に示すように膜の内部および表面に酸化チタン10および吸着剤14が存在しているため、吸着剤14が空気中の不純物ガスを捕集し、膜6の表面で発生するプラズマ発光を受けて酸化チタン10が酸化作用を得、不純物ガスを分解することができる。ここで吸着剤14としてゼオライトやシリカゲルといった無機系の吸着剤14が挙げられる。膜6の内部に酸化チタン10および吸着剤14を含有させる具体的な方法としては、0.1〜100μmの粒径を有する酸化チタン10および吸着剤14の粉末を膜6の材料となる塗料に混合して電極板に塗布した後焼付けを行うといった方法である。塗料が粉体塗料である場合は粉体塗料、酸化チタン10の粉末および吸着剤14の粉末をドラムなどの中に入れて回転させて混合し、電極板に静電塗装などの方法で付着させた後に焼き付ける方法を用いることができる。酸化チタンおよび吸着剤14が膜6によって固定されているためこぼれ落ちを防止することが可能である。膜6を形成する塗料の材質としては前述したようにポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体(ETFE)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)といったフッ素樹脂を用いると絶縁性とオゾンや紫外線に対する耐久性を確保できるため好適であり、また、エポキシ(EPOXY)やポリアミドイミド(PAI)、ポリエーテルサルフォン(PES)といった樹脂によって上記フッ素樹脂を変性・複合化することで耐熱性、耐薬品性、寸法安定性を更に向上させた樹脂もまた膜6の材料として使用可能である。
電極板積層部11の下流側にオゾン還元フィルタ15、送風機12を有するプラズマ発生装置を図6に示す。図に示すとおり、上流から高圧電極板2とアース電極板3からなる電極板積層部11、オゾン還元フィルタ15、送風機12の順で配置されており、また、図には示していないが両電極板の表面および内部にはピンホール5を有する絶縁性の膜6が、また膜6の表面および内部には酸化チタン10と吸着剤14が設けられており、吸着剤14が不純物ガスを効率よく捕集し、プラズマ発光によって得られる紫外線を受けて酸化作用を得た酸化チタン10が不純物ガスを分解除去する作用を有する。そして電極板の表面で発生するプラズマによって発生したオゾンを含む空気がオゾン還元フィルタ15に導入され、オゾンは還元されて酸素になる。オゾン還元フィルタ15は図7に示すとおり、ハニカム状で通気性を有する基材16をオゾン還元触媒17と吸着剤14の混合溶液に浸漬して乾燥することでオゾン還元触媒17と吸着剤14が担持されている。オゾン還元触媒17としてマンガンやコバルトなどの遷移金属の酸化物を用いることが可能であり、オゾンを還元する際に自らが酸化することで酸化作用を得ることができるため、オゾン還元フィルタ15に含まれる吸着剤14が捕集した不純物ガスを酸化分解して除去することが可能である。吸着剤14としてはゼオライトやシリカゲルなどが使用可能であるが、自らが酸化することでオゾン還元作用を有し、オゾン濃度の低減作用を有する活性炭を用いることが好適である。このように電極板積層部11のみでなくオゾン還元フィルタ15でも不純物ガスを分解除去することが可能であり、装置外部に放出するオゾンの濃度を低減しながら高い空気浄化作用を有する空気浄化用プラズマ発生装置として使用可能である。
2 高圧電極板
3 アース電極板
4 ギャップ
5 ピンホール
6 膜
7 電子
8 気体分子
9 プラスイオン
10 酸化チタン
11 電極板積層部
12 送風機
13 通気方向
14 吸着剤
15 オゾン還元フィルタ
16 基材
17 オゾン還元触媒
Claims (7)
- ギャップを設けながら互いに対向するように設けた2個の板状の電極板の表面にピンホールを有するフッ素樹脂からなる絶縁性の膜を設け、それぞれの電極間に高電圧電源によって直流電圧を印加することで前記膜の表面に荷電粒子を生じさせ、膜の表面全体で放電を起こし、前記膜の表面全体に一様なプラズマを発生させることを特徴とするプラズマ発生装置。
- 膜の表面に一様に発生する紫外線によって光触媒の酸化分解作用を得ることを特徴とする請求項1記載のプラズマ発生装置。
- 膜のピンホールを完全に覆わずに膜の上に光触媒を設けることを特徴とする請求項2記載のプラズマ発生装置。
- 膜のピンホールを完全に覆わずに膜の上に吸着剤を設けることを特徴とする請求項2または3記載のプラズマ発生装置。
- 膜の中に光触媒が含まれることを特徴とする請求項2から4いずれかに記載のプラズマ発生装置。
- 膜の中に吸着剤が含まれることを特徴とする請求項2から5いずれかに記載のプラズマ発生装置。
- 送風機を電極の上下流側の少なくとも一方の位置に設け、電極の間に設けられた空間にガスを流すことを特徴とする請求項1から6いずれかに記載のプラズマ発生装置。
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