(57)【要約】  本発明は、活性種の生成量を増やしながらも、オゾンの発生量を抑えることを目的としており、対向面の少なくとも一方に誘電体膜２１ａ、２２ａを設けた一対の電極２１、２２と、前記電極２１、２２間にパルス電圧を印加してプラズマ放電させる電圧印加手段４と、各電極２１、２２の対応する箇所にそれぞれ設けられて全体として貫通するように構成した流体流通孔２１ｂ、２２ｂとを具備し、この流体流通孔２１ｂ、２２ｂを流体が通過するときに前記プラズマと触れてイオン又はラジカルが発生するように構成したプラズマ発生装置１００において、前記電圧印加手段４が、前記電極２１、２２間に印加するパルス電圧のピーク値又はパルス幅或いはその両方を変化させる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向面の少なくとも一方に誘電体膜を設けた一対の電極と、前記電極間にパルス電圧を印加してプラズマ放電させる電圧印加手段と、各電極の対応する箇所にそれぞれ設けられて全体として貫通するように構成した流体流通孔とを具備し、この流体流通孔を流体が通過するときに前記プラズマと触れてイオン又はラジカルが発生するように構成したプラズマ発生装置において、
前記電圧印加手段が、前記電極間に印加するパルス電圧のピーク値又はパルス幅或いはその両方を変化させることを特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項２】
前記電圧印加手段が、前記電極間に印加するパルス電圧のピーク値を１００Ｖ以上５０００Ｖ以下の範囲内で調節するものである請求項１記載のプラズマ発生装置。
【請求項３】
前記電圧印加手段が、前記電極間に印加するパルス電圧のピーク値を５００Ｖ以上２０００Ｖ以下の範囲内で調節するものである請求項１記載のプラズマ発生装置。
【請求項４】
前記電圧印加手段が、前記電極間に印加するパルス電圧のピーク値を８００Ｖ以上１４００Ｖ以下の範囲内で調節するものである請求項１記載のプラズマ発生装置。
【請求項５】
前記電圧印加手段が、所定電圧以上での幅が３００マイクロ秒以下のパルス電圧を印加するものである請求項１記載のプラズマ発生装置。
【請求項６】
印加するパルス電圧の幅が半値全幅である請求項５記載のプラズマ発生装置。
【請求項７】
前記電圧印加手段が、前記電極間に印加するパルス電圧のパルス幅を１マイクロ秒以上１００マイクロ秒以下の範囲内で調節するものである請求項５記載のプラズマ発生装置。
【請求項８】
前記電圧印加手段が、前記電極間に印加するパルス電圧のパルス幅を１マイクロ秒以上５０マイクロ秒以下の範囲内で調節するものである請求項５記載のプラズマ発生装置。
【請求項９】
前記電圧印加手段が、前記電極間にパルス電圧を所定周期で印加する電圧印加期間と、前記電極間にパルス電圧を印加しない印加停止期間とを繰り返す間欠動作を行うものである請求項１記載のプラズマ発生装置。
【請求項１０】
前記間欠動作において、前記間欠動作の一周期に対する前記電圧印加期間の割合が０．１以上０．９以下である請求項９記載のプラズマ発生装置。
【請求項１１】
前記間欠動作において、前記間欠動作の一周期に対する前記電圧印加期間の割合が０．３以上０．８以下である請求項９記載のプラズマ発生装置。
【請求項１２】
前記流体流通孔に向かって強制的に風を送る送風機構を有する請求項１記載のプラズマ発生装置。
【請求項１３】
前記一対の電極から１ｃｍの距離で測定されるオゾン濃度が０．１ｐｐｍ以下である請求項１記載のプラズマ発生装置。
【請求項１４】
前記誘電体膜の表面粗さが０．１μｍ以上１００μｍ以下である請求項１記載のプラズマ発生装置。
【請求項１５】
前記電圧印加手段が、パルス電圧のピーク後に極性を反転し、当該反転ピーク値が元のピーク値の１／１００以上となるように電圧を印加するものである請求項１記載のプラズマ発生装置。
【請求項１６】
前記パルス電圧のパルス形状が、矩形波状、正弦波状、三角波状又は方物波状である請求項１記載のプラズマ発生装置。
【請求項１７】
前記パルス電圧のパルス形状が、負荷の充放電に伴う飽和曲線に沿った電圧上昇、および減衰曲線に沿った電圧下降を示す波形も含むものである請求項１記載のプラズマ発生装置。
【請求項１８】
前記パルス電圧のパルス形状が、電圧上昇時の形状と電圧下降時の形状が等しい対称形の波形と、それぞれの形状が異なる非対称形の波形とを含むものである請求項１記載のプラズマ発生装置。
【請求項１９】
対向面の少なくとも一方に誘電体膜を設けた一対の電極と、前記電極間にパルス電圧を印加してプラズマ放電させる電圧印加手段と、各電極の対応する箇所にそれぞれ設けられて全体として貫通するように構成した流体流通孔とを具備し、この流体流通孔を流体が通過するときに前記プラズマと触れてイオン又はラジカルが発生するように構成したプラズマ発生装置を用いたプラズマ発生方法であって、
前記電極間に印加するパルス電圧のピーク値又はパルス幅或いはその両方を変化させることを特徴とするプラズマ発生方法。
【請求項２０】
対向面の少なくとも一方に誘電体膜を設けた一対の電極と、前記電極間にパルス電圧を印加してプラズマ放電させる電圧印加手段と、各電極の対応する箇所にそれぞれ設けられて全体として貫通するように構成した流体流通孔とを具備し、この流体流通孔を流体が通過するときに前記プラズマと触れてイオン又はラジカルが発生するように構成したプラズマ発生装置におけるオゾン発生抑制方法であって、
前記電極間に印加するパルス電圧のピーク値又はパルス幅或いはその両方を変化させることによりオゾン発生を抑制するオゾン発生抑制方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ発生装置、プラズマ発生方法及びプラズマ発生装置におけるオゾン発生を抑制するオゾン発生抑制方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年のアトピー、ぜんそく、アレルギー症状保有者の増大や新型インフルエンザの爆発流行などにみられる感染性のリスク増大などによって、殺菌や脱臭など生活環境の空気質制御ニーズが高まっている。また生活が豊かになるにつれて、保管食品の量の増大や食べ残し食品の保管機会が増加しており、冷蔵庫に代表される保管機器内の環境制御も重要性を増している。【０００３】
生活環境の空気質制御を目的とする従来技術は、フィルターに代表されるような物理的制御が一般的である。物理的制御は、空気中に浮遊する比較的大きな埃や塵、フィルター孔の大きさによっては、細菌やウィルスなども捕獲できる。また、活性炭のように無数の吸着サイトがある場合は、悪臭の臭気分子も捕獲可能である。しかし、捕獲するためには制御対象の空間内の空気を満遍なくフィルターに通す必要があり、装置が大型化し、フィルター交換等の維持コストもかさむという難点があるうえに、付着物に対しては効果が無い。そこで、付着物に対し殺菌や脱臭を可能とする手段として、化学的活性種を殺菌や脱臭を行いたい空間に放出することがあげられる。薬品の散布や芳香剤、消臭剤の放出では、あらかじめ活性種を用意する必要があり、定期的な補充が不可欠である。それに対し、大気中にプラズマを発生させそこで生成される化学的活性種を利用し、殺菌や脱臭を試みる手段が近年増えてきている。【０００４】
大気中にプラズマを放電により発生させ、そこで生成されたイオンやラジカル（以下、活性種）によって殺菌や脱臭を行う技術は、次の２つの形式に分類できる。
（１）大気中に浮遊する菌やウィルス（以下、浮遊菌）、もしくは悪臭物質（以下、臭気）を装置内の限られた容積内で活性種と反応させる、いわゆる受動型のプラズマ発生装置（例えば、特許文献１）
（２）プラズマ発生部で生成された活性種を（１）よりも容積の大きな閉空間（例えば、居室、トイレ、乗用車の車内等）へ放出し、大気中での活性種と浮遊菌や臭気との衝突により反応させる、いわゆる能動型のプラズマ発生装置（例えば、特許文献２）【０００５】
（１）の受動型のプラズマ発生装置の利点は、小容積内でプラズマを発生させ高濃度の活性種が生成されるため高い殺菌効果及び脱臭効果が期待される。一方、欠点としては浮遊菌や臭気を装置内に導入する必要があるため装置が大型化し、また、プラズマ発生から副生成物としてオゾンが発生しやすく、オゾンを装置外に漏洩させないために、吸着もしくは分解するフィルターを別途設置する必要がある。【０００６】
次に、（２）の能動型のプラズマ発生装置の利点は、装置を比較的小さくでき、浮遊菌の殺菌や空気中の臭気の分解に加え、衣類や生活用品の表面に付着した菌（以下、付着菌）の殺菌や表面に吸着した臭気の分解も期待できる点である。一方、欠点としては、活性種が装置の体積に比べ非常に大きな閉空間内に拡散され濃度が低くなるため、寿命の長い活性種のみに殺菌や脱臭の効果を期待せざるを得ない点である。その結果、臭気濃度の高い空間（活性種濃度に対して１万倍程度高い濃度）においてはほとんど脱臭効果が期待できないことになる。【０００７】
以上のことから、受動型のプラズマ発生装置では、当該装置に流入する空気流に含まれる浮遊菌や臭気に対してのみ効果が限定され、能動型のプラズマ発生装置では濃度の低い浮遊菌、付着菌、臭気に対しての効果しか期待できない。即ち、従来技術を利用し実現できることは、「浮遊菌の殺菌と脱臭」、あるいは「濃度の低い浮遊菌、付着菌の殺菌および付着臭気の脱臭」のどちらかに限定されることになる。【０００８】
ところが、日常生活環境内で高濃度の付着菌の殺菌と高濃度臭気の脱臭を同時に行いたい状況がいくつかある。最も典型的な例は冷蔵庫の冷蔵室内であり、食品表面や保管容器等の表面に付着した菌が多く存在し、食品そのものや腐敗した食べ残し等から発生する臭気も同時に存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−２２４２１１号公報
【特許文献２】特開２００３−７９７１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで本発明は、付着菌の殺菌と脱臭の両方を同時に実現する技術であり、プラズマを発生させて活性種により脱臭する受動型の機能と、その活性種を装置の外に対し放出し、付着菌を殺菌する能動型の機能の二つを同時に兼ね備えさせるべく、活性種の生成量を増やしながらも、オゾンの発生量を抑えることを主たる所期課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
すなわち本発明に係るプラズマ発生装置は、対向面の少なくとも一方に誘電体膜を設けた一対の電極と、前記電極間にパルス電圧を印加してプラズマ放電させる電圧印加手段と、各電極の対応する箇所にそれぞれ設けられて全体として貫通するように構成した流体流通孔とを具備し、この流体流通孔を流体が通過するときに前記プラズマと触れてイオン又はラジカルが発生するように構成したプラズマ発生装置において、前記電圧印加手段が、前記電極間に印加するパルス電圧のピーク値又はパルス幅或いはその両方を変化させることを特徴とする。なお、本明細書でいう対応する箇所とは、電極の面板方向から視て、双方の電極に形成された各流体流通孔が実質的に同じ位置にあり、互いに対向することをいい、直交座標系においてz軸方向よりｘｙ平面状の一対の電極を見たときに、双方の電極において略同じ（ｘ、ｙ）の座標位置であることをいう。【００１２】
このようなものであれば、パルス電圧を印加するだけでなく、そのパルス電圧のピーク値又はパルス幅或いはその両方を変化させることにより、イオンやラジカルの活性種の生成量を増大させながらもオゾン発生量を抑制することができる。【００１３】
イオンやラジカルの活性種の生成量を増大させながらもオゾン発生量を抑制するためのパルス電圧のピーク値の実施の態様としては、前記電圧印加手段が、前記電極間に印加するパルス電圧のピーク値を５００Ｖ以上２０００Ｖ以下の範囲内、好ましくは５００Ｖ以上２０００Ｖ以下の範囲内、より好ましくは８００Ｖ以上１４００Ｖ以下の範囲内で調節するものである。【００１４】
パルス電圧の具体的な実施の態様としては、前記パルス電圧の半値幅が３００μｓｅｃ以下であることが望ましい。より好ましくは、パルス電圧の半値幅が１００μｓｅｃ以下である。【００１５】
イオンやラジカルの活性種の生成量を増大させながらもオゾン発生量を抑制するためのパルス電圧のパルス幅の実施の態様としては、前記電圧印加手段が、前記電極間に印加するパルス電圧のパルス幅を１マイクロ秒以上１００マイクロ秒以下の範囲内、好ましくは１マイクロ秒以上５０マイクロ秒以下の範囲内で調節するものである。【００１６】
パルス電圧のピーク値又はピーク値を大きくすると、オゾンの発生量が増加する。このため、オゾンの発生量を好適に低減するためには、前記電圧印加手段が、前記電極間にパルス電圧を所定周期で印加する電圧印加期間と、前記電極間にパルス電圧を印加しない印加停止期間とを繰り返す間欠動作を行うものであることが望ましい。このとき、前記間欠動作において、前記間欠動作の一周期に対する前記電圧印加期間の割合が０．１以上０．９以下、より効果を顕著にするためには、０．３以上０．８以下であることが好ましい。【００１７】
プラズマ発生装置を安全環境基準を満たす構成とするためには、前記一対の電極から１ｃｍの距離で測定されるオゾン濃度が０．１ｐｐｍ以下であることが望ましい。【００１８】
省電力としながらも活性種の生成量を増大させるためには、前記電圧印加手段が、パルス電圧のピーク後に極性を反転し、当該反転ピーク値が元のピーク値の１／１００以上となるように電圧を印加するものであることが望ましい。【００１９】
また本発明に係るプラズマ発生方法は、対向面の少なくとも一方に誘電体膜を設けた一対の電極と、前記電極間にパルス電圧を印加してプラズマ放電させる電圧印加手段と、各電極の対応する箇所にそれぞれ設けられて全体として貫通するように構成した流体流通孔とを具備し、この流体流通孔を流体が通過するときに前記プラズマと触れてイオン又はラジカルが発生するように構成したプラズマ発生装置を用いたプラズマ発生方法であって、前記電極間に印加するパルス電圧のピーク値又はパルス幅或いはその両方を変化させることを特徴とする。【００２０】
さらに本発明に係るオゾン発生抑制方法は、対向面の少なくとも一方に誘電体膜を設けた一対の電極と、前記電極間にパルス電圧を印加してプラズマ放電させる電圧印加手段と、各電極の対応する箇所にそれぞれ設けられて全体として貫通するように構成した流体流通孔とを具備し、この流体流通孔を流体が通過するときに前記プラズマと触れてイオン又はラジカルが発生するように構成したプラズマ発生装置におけるオゾン発生抑制方法であって、前記電極間に印加するパルス電圧のピーク値又はパルス幅或いはその両方を変化させることによりオゾン発生を抑制することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
このように構成した本発明によれば、活性種の生成量を増やしながらも、オゾンの発生量を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明のプラズマ発生装置の一実施形態を示す模式図。
【図２】電極部を示す部分拡大平面図及び断面図。
【図３】パルス電圧波形のパラメータを示す図。
【図４】駆動方法によるイオン数密度の違いを示す図。
【図５】駆動方法によるオゾン濃度の違いを示す図。
【図６】イオン数密度とオゾン濃度とのパルス幅依存性を示す図。
【図７】代表的な間欠動作の例を示す模式図。
【図８】脱臭能力の間欠動作のＯＮ／ＯＦＦ比による違いを示す図。
【図９】パルス電圧波形の種類を示す図。
【図１０】パルス電圧の極性の概略図。
【図１１】反転パルスの概略図。
【図１２】駆動回路部を示すブロック図。
【図１３】オゾン濃度０．１ｐｐｍあたりの脱臭速度の印加電圧のピーク電圧依存性を示す図。
【図１４】オゾン濃度０．１ｐｐｍあたりの脱臭速度の印加電圧のパルス幅依存性を示す図。
【図１５】オゾン濃度０．１ｐｐｍあたりの脱臭速度の間欠動作のデューティ―比依存性を示す図。
【符号の説明】
【００２３】
１００・・・プラズマ発生装置
２１・・・一方の電極
２２・・・他方の電極
２１ａ、２２ａ・・・誘電体膜
２１ｂ、２２ｂ・・・流体流通孔
４・・・電圧印加手段
４１・・・電源
４２・・・駆動回路部
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
【００２５】
本実施形態に係るプラズマ発生装置１００は、例えば冷蔵庫、洗濯機、掃除機、衣類乾燥機、空調機又は空気清浄機等の家庭電化製品に用いられるものであり、当該家庭電化製品の内部又は外部の空気の脱臭やそれら製品内部又は外部の浮遊菌又は付着菌を殺菌するものである。
【００２６】
具体的にこのものは、図１に示すように、マイクロギャッププラズマ（Micro Gap Plasma）によりイオンやラジカル等の活性種を生成させるプラズマ電極部２と、当該プラズマ電極部２の外部に設けられて当該プラズマ電極部２に強制的に風（空気流）を送る送風機構３と、前記プラズマ電極部２に所定電圧を印加してプラズマ放電させる電圧印加手段４とを備えている。
【００２７】
以下、各部２〜４について各図を参照して説明する。
【００２８】
プラズマ電極部２は、図２に示すように、対向面に誘電体膜２１ａ、２２ａを設けた一対の電極２１、２２を有し、それら電極２１、２２間に電圧印加手段４によって所定電圧が印加されてプラズマ放電するものである。各電極２１、２２は、平面視において（電極２１、２２の面板方向から見たときに）概略矩形状をなすものであり、例えばＳＵＳ４０３といったステンレス鋼から形成されている。なお、図示しないが、電極部２の電極２１、２２の縁部には、電圧印加手段４からの電圧が印加される印加端子が形成されている。
【００２９】
また、図２に示すように、電極２１、２２の対向面には、例えばチタン酸バリウム等の誘電体が塗布されて誘電体膜２１ａ、２２ａが形成されている。この誘電体膜２１ａ、２２ａの表面粗さ（本実施形態では算出平均粗さＲａ）は０．１μｍ以上１００μｍ以下である。この他表面粗さとしては、最大高さＲｙ、十点平均粗さＲｚを用いて規定しても良い。このように誘電体膜２１ａ、２２ａの平面粗さを上記範囲内の値にすることによって、各電極２１、２２を重ね合わせるだけで、対向面間に空隙が形成されて、当該空隙内にプラズマが発生することになる。これにより、各電極２１、２２間にプラズマ形成用の空隙を形成するためのスペーサを不要としている。なお、前記誘電体膜２１ａ、２２ａの表面粗さは、溶射法によって制御することが考えられる。また、電極に塗布する誘電体としては、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化マグネシウム、チタン酸ストロンチウム、酸化シリコン、燐酸銀、チタン酸ジルコン酸鉛、シリコンカーバイド、酸化インジウム、酸化カドミニウム、酸化ビスマス、酸化亜鉛、酸化鉄、カーボンナノチューブなどを用いてもよい。
【００３０】
さらに各電極２１、２２には、各電極２１、２２の対応する箇所にそれぞれ流体流通孔２１ｂ、２２ｂを設けてこれらが連通して全体として貫通するように構成されている。
【００３１】
送風機構３は、前記プラズマ電極部２の他方の電極２２側に配置されており、プラズマ電極部２に形成された流体流通孔２１ｂ、２２ｂ（完全開口部）に向かって強制的に風を送る送風ファンを有するものである。具体的にこの送風機構３は、流体流通孔２１ｂ、２２ｂを通過させる風の流速を０．１ｍ／ｓ以上１０ｍ／ｓ以下の範囲内としている。
【００３２】
電圧印加手段４は、電源４１と当該電源からの電圧をパルス電圧に変換して各電圧に印加する駆動回路部４２とを備えている。なお、駆動回路部４２の具体的な構成は後述する。この電圧印加手段４によって、各電極２１、２２に印加する電圧をパルス形状とし、そのピーク値を１００Ｖ以上５０００Ｖ以下の範囲内とし、且つパルス幅を０．１μ秒以上かつ３００μ秒以下の範囲内としている。
【００３３】
このように構成したプラズマ発生装置１００により、２枚の対向した電極２１、２２の隙間にプラズマを発生させ、流体流通孔２１ｂ、２２ｂに送風機構３によって風を送り込み、電極２１、２２近傍で脱臭を行い、プラズマ中で生成された活性種を閉空間に放出し付着菌の殺菌を行う。ここで、プラズマにおいて発生した生成物は全て風により下流へ運ばれることから、人体に有害なオゾンの発生を制限する必要がある。そこで、本実施形態の電極２１、２２に印加されるパルス電圧波形のパラメータを最適化することにより、オゾン発生を抑え、脱臭と殺菌の両立を可能とすることが出来る。
【００３４】
次に、本実施形態のプラズマ発生装置１００を用いた実験例について説明する。付着菌殺菌と脱臭の両者を両立するための電極駆動波形の最適化を、空気イオン測定とオゾン濃度測定により行う。両測定はプラズマ電極部２より下流へ測定器を設置可能な距離（本件の場合、オゾン濃度は１ｃｍに吸入口を設置、イオン数密度は１０ｃｍに設置）において行う。空気イオン測定は間接的であるが簡便に測定する方法であり、プラズマで発生した活性種の中で特に電荷を持ち、寿命の長いイオンが測定対象であるが、一定のプラズマの発生条件下において空気イオン数密度と活性種の密度との間に相関があることを利用している。つまり、イオン数密度が高いということは、それだけ、殺菌や脱臭に効果のある活性種の密度が高いことを意味する。一方、プラズマの副生成物であるオゾンはイオンに比べはるかに長い寿命（数１０分以上）を持つことから、プラズマ近傍での濃度と下流の離れた地点での濃度とに大きな差は無い。それでも測定値の絶対値を高くし、わずかなオゾンの発生量の変化をつかむために、電極２１より１ｃｍ下流に測定器のサンプリング吸入口を設置している。このような測定系において、オゾン濃度を基準として、イオン数密度を最大化することが、電極駆動波形形状の最適化に直結する。
【００３５】
前記駆動回路部４２は、オゾン発生を抑え、活性種の生成を増加させるためのパルス生成回路である。パルス形状を図３に示すように各パラメータで定義する。電極２１、２２間の空隙の距離が表面粗さと同等なことから、パッシェンの法則に従い、電圧ピーク値は１００Ｖ〜５０００Ｖの範囲にあり、パルス幅は半値幅で定義され、０．１μ秒以上かつ３００μ秒以下の範囲内にあるとする。
【００３６】
電極２１、２２に高電圧を印加することによりプラズマを発生させることができるが、交流電圧印加時と本件のパルス電圧印加時との比較について図４および図５に示す。交流電圧は外部トランスとスライダックを使用し、ピーク電圧を１０００Ｖに調整し、周波数は６０Ｈｚとした。一方、パルス電圧は、パルス幅が５μｓの電圧のピーク値を１０００Ｖ、パルス繰り返し周波数を６０Ｈｚと交流電圧と同等に調整し、印加した。図４に示すとおり、交流電圧印加時はイオンの発生が確認できず、一方で図５に示すとおり、オゾンは非常に高い濃度で測定された。それに対し、パルス電圧印加時においてはイオン数を測定するのに十分な発生量を確認し、オゾン濃度も交流電圧印加時より低い濃度で測定された。このことから、パルス電圧駆動がオゾン発生を抑えイオン即ち活性種の生成量を増加させるために有効であることが分かる。
【００３７】
さらに進んで、高電圧パルスのパルス幅を小さく制御することで、活性種の生成量を増大させることができる。図６に示すイオン数密度とオゾン濃度とのパルス幅依存性は、パルスの繰り返し周波数とピーク電圧値は１ｋと一定に保ち、パルス幅のみを変化させたときの測定である。図６に見られるように、パルス幅を１００μ秒以下においてイオン数が測定され、かつオゾン濃度が低くなり、パルス幅が小さくなるに従って、イオン数は増加し、オゾン濃度は減少する。
【００３８】
上記のようにパルス幅を小さくし、オゾン生成量を抑えイオン生成量を増加させる手段に加え、駆動回路部４２によりパルス電圧の繰り返しを制御する方法によって、単位時間当りの活性種の生成量を増加させることができる。ある一定のパルス電圧の繰り返し周波数を増加させると、単位時間当りのオゾンの生成量が増加する。そこで、図７に示すように、一対の電極間にパルス電圧を所定周期で印加する電圧印加期間（図７において「ＯＮ動作（ＴＯＮ）」）と、一対の電極にパルス電圧を印加しない印加停止期間（図７において「ＯＦＦ（ＴＯＦＦ）」）と繰り返す間欠動作を行うことで、オゾン生成量を抑え、イオン数密度のみを増加させることができる。つまり、ＯＮ動作（ＴＯＮ）とＯＦＦ動作（ＴＯＦＦ）の時間の比（デューティー比（＝ＴＯＮ／（ＴＯＮ＋ＴＯＦＦ）））の制御や、ＯＮ動作におけるパルスの繰返し周期を一定もしくは可変とすることで、さらに緻密な活性種生成制御を行うことができる。
【００３９】
間欠動作による活性種生成量増加の一例として、パルス電圧のピーク電圧とパルス幅を一定としたときの、間欠動作のＯＮ時間を変化させた場合の脱臭能力の変化を図８に示す。室温において、内容積１００Ｌの樹脂製の容器に、臭気としてトリメチルアミン（ＴＭＡ）を２ｐｐｍ注入し、本実施形態のイオン発生装置１００を間欠動作させたときの臭気分解率より求めた。図８に示されるように、脱臭能力がＯＮ時間の間欠動作周期に対する割合によって変化することが判明した。これは、生成された活性種の濃度と分解される臭気の濃度とのバランスにより最適な条件があることを示しており、脱臭能力の最適化は駆動方法の最適化によって可能となる。
【００４０】
代表的なパルス形状は、図９に示すとおり、矩形波状、正弦波状、三角波状又は方物波状とする。矩形波以外の波形では、電圧が高くなるほど幅が小さくなる波形である。また、負荷の充放電に伴う飽和曲線に沿った電圧上昇、および減衰曲線に沿った電圧下降を示す波形も含む。また、パルス波の詳細形状において、電圧上昇時の形状と電圧下降時の形状が等しい対称形の波形と、それぞれの形状が異なる非対称形の波形とを含む。実際にプラズマが発生するのは電圧が十分に高くなってからであり、放電の持続時間は半値幅より小さくなり、パルス幅がより小さくなるのと同等の効果をもたらす。
【００４１】
パルス電圧の極性は、図１０に示すように、一方の電極２１を接地したときに他方の電極２２に正の電圧が印可される正極パルス、もしくは負の電圧が印可される負極パルス、もしくはその両方とする。
【００４２】
また、仮に正極パルスが印可された場合、図１１に示すように、ピーク後にオーバーシュートするような反転パルスによって、消費電力を低減することが可能となる。その場合、正極パルス値の１／１００以上の反転パルスによって、負極パルスを印可したのと同等の効果が期待できる。つまり、正極と負極パルス両方を印可するための電力のおよそ半分の電力で同等の活性種生成が可能となる。
【００４３】
この様なパルス駆動回路部４２を実現するには直流電圧よりスイッチング素子と昇圧トランスを組み合わせる事で、消費電力を抑え回路の単純化が可能となる。回路駆動部４２の一例として、図１２のように直流低電圧からスイッチング制御により低電圧パルスを、昇圧トランスの１次側に与えることにより、２次側にはトランスの巻き線比に応じた高電圧パルスが発生する。その高電圧パルスが接続されたプラズマ放電電極に印加されることによりプラズマが電極間に発生し、殺菌と脱臭に効果のある活性種が生成される。
【００４４】
高電圧パルスのピーク電圧は、低電圧スイッチング制御部により、スイッチング時間を増減することにより制御可能である。その制御部には温度特性を持つ素子を併用することにより、回路、特にトランスの発熱による温度変化や、電極部の環境温度変化を検知しフィードバックすることで、その温度変化が原因で発生する活性種の生成量の変化を、スイッチング時間を調整し補償することができる。
【００４５】
また、高電圧パルスのピーク値の最大値は昇圧トランス１次側に並列に接続された電圧リミッタ回路により制限され、トランスの２次側巻き線間や電極までの配線、さらには電極自体に必要以上に高い電圧が印加され、短絡現象等の発生の無いよう安全性を高めている。一方、万が一短絡減少が発生した場合は、トランスの２次側に電極に対し直列に接続された過電流検出回路(例えば微小抵抗端の電圧検知)により検知され、低電圧スイッチング制御部に組み込まれたフィードバック制御回路にフィードバックされる。そこで、再度過電流発生の原因となった短絡現象を発生させないようラッチ制御され、トランスの２次側の高電圧が印加される領域が保護される。
【００４６】
次に、図１３〜図１５に、電圧印加手段により印加電圧の各パラメータを変化させた場合の脱臭性能を示す。この脱臭性能試験は、室温において、内容積１００Ｌの樹脂製の容器内に、本実施形態のプラズマ発生装置を設置し、臭気成分としてメチルメルカプタンを容器内に注入し、プラズマ発生装置を２時間稼働した後の残留臭気成分濃度から脱臭速度を求めた。なお、以下においては、プラズマ発生装置から発生するオゾン濃度が一対の電極から１ｃｍの距離で測定されたオゾン濃度が０．１ｐｐｍ以下となるようにしている。
【００４７】
まずプラズマ発生装置においてオゾン濃度を０．１ｐｐｍとしてパルス電圧のピーク値を６００Ｖから１４００Ｖまで変化させた場合の脱臭速度［ｐｐｂ／ｍｉｎ］を図１３に示す。なお、図１３においては、パルス幅を５０μｓに固定してピーク値を６００Ｖから１４００Ｖまで変化させた場合と、パルス幅を１０μｓに固定してピーク値を６００Ｖから１４００Ｖまで変化させた場合と、パルス幅を５μｓに固定してピーク値を６００Ｖから１４００Ｖまで変化させた場合の結果を示している。
【００４８】
この図１３から分かるように、パルス幅が５０μｓ、１０μｓ、５μｓの何れにおいても、印加電圧のピーク値を６００Ｖから９００Ｖへ変化させると、脱臭速度が増加し、この９００Ｖで最大脱臭速度となった後に、９００Ｖから１４００Ｖへ変化させると脱臭速度が低下することが分かった。この結果から、いずれのパルス幅においても、パルス電圧のピーク値を８００Ｖから１４００Ｖまでとすることが好ましいと考えられる。
【００４９】
次に、プラズマ発生装置においてオゾン濃度を０．１ｐｐｍとしてパルス電圧のパルス幅を０μｓから３００μｓまで変化させた場合の脱臭速度［ｐｐｂ／ｍｉｎ］を図１４に示す。なお、図１４においては、ピーク値を８００Ｖに固定してパルス幅を０μｓから３００μｓまで変化させた場合と、ピーク値を９００Ｖに固定してパルス幅を０μｓから３００μｓまで変化させた場合と、ピーク値を１２００Ｖに固定してパルス幅を０μｓから３００μｓまで変化させた場合と、ピーク値を１４００Ｖに固定してパルス幅を０μｓ〜３００μｓまで変化させた場合の結果を示している。
【００５０】
この図１４から分かるように、ピーク値が８００Ｖ、９００Ｖ、１２００Ｖ、１４００Ｖの何れにおいても、印加電圧のパルス幅がおよそ５０μｓまで脱臭速度が速く、それよりもパルス幅を大きくすると、オゾンの発生により脱臭速度が低下することが分かった。
【００５１】
次に、プラズマ発生装置においてオゾン濃度を０．１ｐｐｍとしてパルス電圧の間欠動作の一周期に対する電圧印加期間の割合（図１５においてデューティー比）を０から１まで変化させた場合の脱臭速度［ｐｐｂ／ｍｉｎ］を図１５に示す。なお、ここで間欠動作は、図７に示すように、前記電極間に所定周期で印加する電圧印加期間（Ｔｏｎ）と、電極間にパルス電圧を印加しない印加停止期間（Ｔｏｆｆ）とを繰り返す動作であり、前記デューティー比は、Ｔｏｎ／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）で定義される。なお、図１５においては、ピーク電圧が８５０Ｖでパルス幅が５０μｓのパルス電圧を間欠動作した場合と、ピーク電圧が１１００Ｖでパルス幅が１０μｓのパルス電圧を間欠動作した場合の結果を示している。
【００５２】
この図１５から分かるように、デューティー比が大きくなるに従って脱臭速度が速くなるが、およそ半分の０．５を超えると脱臭速度が遅くなる。デューティー比が大きくなるとオゾンの発生量は増大するが、それに対して臭気との反応が増大しないため、脱臭速度のデューティー比依存性には極大値が存在する。
【００５３】
このように構成した本実施形態に係るプラズマ発生装置１００によれば、パルス電圧を印加するだけでなく、そのパルス電圧を半値幅が３００μｓｅｃ以下としているので、イオンやラジカルの活性種の生成量を増大させながらもオゾン発生量を抑制することができる。
【００５４】
その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明により、活性種の生成量を増やしながらも、オゾンの発生量を抑えることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年4月19日(2012.4.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向面の少なくとも一方に誘電体膜を設けた一対の電極と、前記電極間にパルス電圧を印加してプラズマ放電させる電圧印加手段と、各電極の対応する箇所にそれぞれ設けられて全体として貫通するように構成した流体流通孔とを具備し、この流体流通孔を流体が通過するときに前記プラズマと触れてイオン又はラジカルが発生するように構成したプラズマ発生装置において、
前記電圧印加手段が、前記電極間に印加するパルス電圧のピーク値又はパルス幅或いはその両方を変化させることを特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項２】
前記電圧印加手段が、所定電圧以上での幅が１００マイクロ秒以下のパルス電圧を印加するものである請求項１記載のプラズマ発生装置。
【請求項３】
印加するパルス電圧の幅が半値全幅である請求項２記載のプラズマ発生装置。
【請求項４】
前記電圧印加手段が、前記電極間に印加するパルス電圧のパルス幅を１マイクロ秒以上１００マイクロ秒以下の範囲内で調節するものである請求項２記載のプラズマ発生装置。
【請求項５】
前記電圧印加手段が、前記電極間に印加するパルス電圧のパルス幅を１マイクロ秒以上５０マイクロ秒以下の範囲内で調節するものである請求項２記載のプラズマ発生装置。
【請求項６】
前記電圧印加手段が、前記電極間に印加するパルス電圧のピーク値を１００Ｖ以上５０００Ｖ以下の範囲内で調節するものである請求項１記載のプラズマ発生装置。
【請求項７】
前記電圧印加手段が、前記電極間に印加するパルス電圧のピーク値を５００Ｖ以上２０００Ｖ以下の範囲内で調節するものである請求項１記載のプラズマ発生装置。
【請求項８】
前記電圧印加手段が、前記電極間に印加するパルス電圧のピーク値を８００Ｖ以上１４００Ｖ以下の範囲内で調節するものである請求項１記載のプラズマ発生装置。
【請求項９】
前記電圧印加手段が、前記電極間にパルス電圧を所定周期で印加する電圧印加期間と、前記電極間にパルス電圧を印加しない印加停止期間とを繰り返す間欠動作を行うものである請求項１記載のプラズマ発生装置。
【請求項１０】
前記間欠動作において、前記間欠動作の一周期に対する前記電圧印加期間の割合が０．１以上０．９以下である請求項９記載のプラズマ発生装置。
【請求項１１】
前記間欠動作において、前記間欠動作の一周期に対する前記電圧印加期間の割合が０．３以上０．８以下である請求項９記載のプラズマ発生装置。
【請求項１２】
前記流体流通孔に向かって強制的に風を送る送風機構を有する請求項１記載のプラズマ発生装置。
【請求項１３】
前記一対の電極から１ｃｍの距離で測定されるオゾン濃度が０．１ｐｐｍ以下である請求項１記載のプラズマ発生装置。
【請求項１４】
前記誘電体膜の表面粗さが０．１μｍ以上１００μｍ以下である請求項１記載のプラズマ発生装置。
【請求項１５】
前記電圧印加手段が、パルス電圧のピーク後に極性を反転し、当該反転ピーク値が元のピーク値の１／１００以上となるように電圧を印加するものである請求項１記載のプラズマ発生装置。
【請求項１６】
前記パルス電圧のパルス形状が、矩形波状、正弦波状、三角波状又は方物波状である請求項１記載のプラズマ発生装置。
【請求項１７】
前記パルス電圧のパルス形状が、負荷の充放電に伴う飽和曲線に沿った電圧上昇、および減衰曲線に沿った電圧下降を示す波形も含むものである請求項１記載のプラズマ発生装置。
【請求項１８】
前記パルス電圧のパルス形状が、電圧上昇時の形状と電圧下降時の形状が等しい対称形の波形と、それぞれの形状が異なる非対称形の波形とを含むものである請求項１記載のプラズマ発生装置。
【請求項１９】
対向面の少なくとも一方に誘電体膜を設けた一対の電極と、前記電極間にパルス電圧を印加してプラズマ放電させる電圧印加手段と、各電極の対応する箇所にそれぞれ設けられて全体として貫通するように構成した流体流通孔とを具備し、この流体流通孔を流体が通過するときに前記プラズマと触れてイオン又はラジカルが発生するように構成したプラズマ発生装置を用いたプラズマ発生方法であって、
前記電極間に印加するパルス電圧のピーク値又はパルス幅或いはその両方を変化させることを特徴とするプラズマ発生方法。
【請求項２０】
対向面の少なくとも一方に誘電体膜を設けた一対の電極と、前記電極間にパルス電圧を印加してプラズマ放電させる電圧印加手段と、電極の対応する箇所にそれぞれ設けられて全体として貫通するように構成した流体流通孔とを具備し、この流体流通孔を流体が通過するときに前記プラズマと触れてイオン又はラジカルが発生するように構成したプラズマ発生装置におけるオゾン発生抑制方法であって、
前記電極間に印加するパルス電圧のピーク値又はパルス幅或いはその両方を変化させることによりオゾン発生を抑制するオゾン発生抑制方法。
【国際調査報告】
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