(57)【要約】【課題】光触媒と被反応物との反応効率を向上させると共に、低コスト化を実現することが可能なプラズマ発生装置及び当該プラズマ発生装置を用いた光触媒活性制御方法を提供する。【解決手段】対向配置された一対の電極１１Ａ及び１１Ｂと、電極１１Ａ及び１１Ｂの対向する面に各々配設された誘電体膜１２Ａ及び１２Ｂを備え、電極１１Ａ及び１１Ｂ間に所定電圧が印加されてプラズマ放電を行うプラズマ発生装置であり、プラズマ放電領域１３に、表面に光触媒からなる膜１５が形成されたビーズ１４を複数配設してなる。【選択図】図１
2014113537.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向配置された一対の電極の少なくとも一方に誘電体膜が設けられ、当該電極間に所定電圧が印加されてプラズマ放電を行うプラズマ発生装置であって、
反応器内のプラズマ放電領域に、表面に光触媒からなる膜が形成された部材を複数配設してなるプラズマ発生装置。
【請求項２】
前記部材がビーズであり、当該ビーズは並列に配置されてなる請求項１記載のプラズマ発生装置。
【請求項３】
前記電極は、平板形状を有し、前記プラズマ放電領域に被反応物である流体を流入させる流体流通孔が形成されてなる請求項１または請求項２記載のプラズマ発生装置。
【請求項４】
前記被反応物の入り側または出側に送風部を配設してなる請求項３記載のプラズマ発生装置。
【請求項５】
前記電極に印加する電圧の波形がサイン形状またはバイポーラパルス形状であり、当該電圧のピーク値が１００Ｖ以上、５０００Ｖ以下の範囲である請求項１ないし請求項４に記載のプラズマ発生装置。
【請求項６】
前記電極に印加する電圧の波形がバイポーラパルス形状であり、当該バイポーラパルス形状のパルス幅が０．１μ秒以上、３００μ秒以下の範囲である請求項５記載のプラズマ発生装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のプラズマ発生装置を用い、被反応物中の有機物分解、殺菌及び脱臭を行う光触媒活性制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ発生装置及び当該プラズマ発生装置を用いた光触媒活性制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、反応効率を向上させるため、反応器内にガラス素材により形成した粒体の表面に二酸化チタンをコーティングした粒体(ビーズ)を挿入し、周囲から照射されるＵＶ光で被反応物を処理・分解する光反応器が紹介されている。このような光反応器として、例えば、反応容器（ガラス管）と当該反応容器内に収容された粒体間の当接部、及び当該粒体同士間の当接部を、それぞれ所定の面積を有する溶着面とすることにより、前記反応容器及び前記粒体に前記溶着面を介して連続する導光路を設けた光反応器がある。（例えば、特許文献1参照）。
【０００３】
また、ガラス棒体の一端面と他端面間における内部の長手方向に被処理液を流通可能な処理通路を設けてなる光反応器として、前記ガラス棒体の内部に、内径を選定し且つ相互に所定の間隔を有する複数の処理通路と、前記ガラス棒体の外周面に照射された光が前記ガラス棒体の内部を透過して前記処理通路の周面に照射可能な導光路とを設けた光反応器も紹介されている。（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＷＯ  ２０１２／０１７６３７  Ａ１
【特許文献２】特開２０１２−１７０９０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前述した従来の光反応器は、ＵＶ光を照射することで被反応物を処理・分解するものであり、光照射方法や反応機構において限界があり、大きな反応効率が望めないのが実状である。特に、特許文献１に開示された構造の光反応器は、ＵＶ光源からの光の伝搬は円筒型の反応器と接する部分のみであるため、光の損失若しくは電力損失が発生する。また、ＵＶ光源からの光は、前記反応器内に収容されている粒体を通して伝搬するが、この粒体の素材として、石英やガラスの様な光が透過・伝搬できる材料が望ましいので素材選定にも限定がある。さらにまた、反応器内を通過する流体の経路による圧力損失が生じ、反応効率が低下する虞もある。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、光触媒と被反応物との反応効率を向上させると共に、低コスト化を実現することが可能なプラズマ発生装置及び当該プラズマ発生装置を用いた光触媒活性制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的を達成するため本発明は、対向配置された一対の電極の少なくとも一方に誘電体膜が設けられ、当該電極間に所定電圧が印加されてプラズマ放電を行うプラズマ発生装置であって、反応器内のプラズマ放電領域に、表面に光触媒からなる膜が形成された部材を複数配設してなるプラズマ発生装置を提供するものである。
【０００８】
ここで、光触媒の活性は表面での反応が主要な要因となるため、光触媒と被反応物（媒体：ガスや液体等の被処理流体）とを効率よく接触させることが重要である。したがって、光触媒と被反応物とを効率よく接触させることができる流路や、光の照射方法等を工夫する必要がある。
【０００９】
本発明に係るプラズマ発生装置によれば、プラズマ放電領域に、表面に光触媒からなる膜が形成された部材を複数配設したため、光触媒の活性を向上することができる。即ち、前記プラズマ放電領域に、表面に光触媒からなる膜が形成された部材を複数配設することにより、光触媒の表面積を増加させることができるため、前記光触媒と被反応物との接触面積を増加させることができる。したがって、前記光触媒と被反応物との反応効率を向上させると共に、低コスト化を実現することができる。
【００１０】
そしてまた、電極に印加された電圧により、反応器内に絶縁破壊によってプラズマが生成され、誘電体膜に電荷蓄積が生じるため、電荷配列による抵抗損失を減少することができる。
【００１１】
また、前記部材の表面に形成された光触媒からなる膜と、プラズマとの間で電位降下が生じるため、当該プラズマの密度を増加させることもできる。
【００１２】
前記部材としては、例えばビーズを使用することができ、当該ビーズは前記プラズマ放電領域に並列に配置されることが好ましい。ビーズの形状は、特に限定されるものではないが、プラズマ放電領域に複数個を効率よく並べて配置できるサイズや形状を選択することが好ましい。
【００１３】
また、前記電極は平板形状に形成することができ、当該電極には、前記プラズマ放電領域に被反応物である流体を流入させる流体流通孔を形成することもできる。このように構成することで、反応容器内に被反応物をより大量に流入させることができるため、光触媒との反応効率をさらに向上させることができる。
【００１４】
そしてまた、本発明に係るプラズマ発生装置は、前記被反応物の入り側または出側に送風部を配設することもできる。このようにすることで、前記プラズマ放電領域に被反応物をさらに効率よく流入させることができるため、光触媒との反応効率をさらに向上させることができる。
【００１５】
また、前記電極に印加する電圧の波形がサイン形状またはバイポーラパルス形状であり、当該電圧のピーク値が１００Ｖ以上、５０００Ｖ以下の範囲とすることができる。このようにすることで、前記利点に加え、安定したプラズマ放電を生じさせることができ、反応器内がプラズマでみたされ、光触媒からなる膜を活性化するという効果が得られる。電圧のピーク値が１００Ｖ未満であると、電界強度が弱くなるため放電が不安定となり、５０００Ｖを超えると、花火（スパーク）が発生し、放電が不安定となりやすい。
【００１６】
そしてまた、前記電極に印加する電圧の波形がバイポーラパルス形状の場合、当該バイポーラパルス形状のパルス幅が０．１μ秒以上、３００μ秒以下の範囲であることが好ましい。パルス幅が０．１μ秒未満であると、プラズマの放電電流が形成するのに十分なパワーを得ることができないため、プラズマ発光の低下となり、３００μ秒を超えると、印加した電圧のパルス幅に対し、プラズマの放電電流が流れないため、プラズマ発光の低下となりやすい。
【００１７】
また、本発明は、上述した本発明に係るプラズマ発生装置を用い、被反応物中の有機物分解、殺菌及び脱臭を行う光触媒活性制御方法を提供するものである。この光触媒活性制御方法によれば、光触媒と被反応物との反応効率を向上させると共に、低コスト化を実現することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、光触媒の活性を向上することができ、前記光触媒と被反応物との反応効率を向上させると共に、低コスト化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態１に係るプラズマ発生装置の主要部分の断面構造を模式的に示す図である。
【図２】本発明の実施形態２に係るプラズマ発生装置の主要部分の断面構造を模式的に示す図である。
【図３】本発明の実施形態３に係るプラズマ発生装置の主要部分の断面構造を模式的に示す図である。
【図４】（ａ）本発明に係るプラズマ発生装置の電極部を配設したデバイスの断面構造を模式的に示す図である。（ｂ）図４（ａ）に示すデバイスに係るプラズマの放電状態（発光状態）を平面視で模式的に示す図である。
【図５】（ａ）従来のプラズマ発生装置の電極部を配設したデバイスの断面構造を模式的に示す図である。（ｂ）図５（ａ）に示す従来のデバイスに係るプラズマの放電状態（発光状態）を平面視で模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
次に、本発明の実施形態に係るプラズマ発生装置について図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。
【００２１】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るプラズマ発生装置の主要部分である電極部を示す模式図である。なお、前記各図では、説明を判り易くするため、各部材の厚さやサイズ、拡大・縮小率等は、実際のものとは一致させずに記載した。
【００２２】
図１に示すように、実施形態１に係るプラズマ発生装置の電極部１は、互いに間隔をおいて配置された一対の電極１１Ａ及び１１Ｂと、電極１１Ａ及び１１Ｂの互いに対向する面に各々配設された誘電体膜１２Ａ及び１２Ｂと、誘電体膜１２Ａと誘電体膜１２Ｂとの間となる反応器内のプラズマ放電領域１３に収容された複数のビーズ１４とを有している。
【００２３】
ビーズ１４の表面には、光触媒からなる膜１５が形成されている。なお、実施形態１では、光触媒として酸化チタンを用い、ビーズ１４の表面に酸化チタンをコーティングすることで、ビーズ１４の表面に膜１５を形成した。これらのビーズ１４は、前記プラズマ放電領域に並列に配置されている。このとき、プラズマ放電領域１３に複数のビーズ１４を効率よく並べて配置できるよう、ビーズ１４の形状を球状としたが、ビーズ１４の形状は、特に限定されるものではなく、所望により決定することができる。また、ビーズ１４の直径（ｄ）を選択することで、プラズマ放電領域１３に収容されるビーズ１４の個数を調整することができる。
【００２４】
また、誘電体膜１２Ａと誘電体膜１２Ｂとの距離（Ｌ）を調整することで、電極１１Ａ及び１１Ｂに印加する電圧を変更することができる。
【００２５】
この電極部１はフローティング電極を用いた構造であり、この電極部１を備えたプラズマ発生装置では、図１に矢印Ｘで示すように、プラズマ放電領域１３に流入したガスや液体等の被反応物が、光触媒からなる膜１５が形成された複数のビーズ１４の間を通過するため、前記光触媒と被反応物との接触面積を増加させることができる。したがって、前記光触媒と被反応物との反応効率を上げることができ、被反応物中の有機物分解効果、脱臭効果、殺菌効果等を向上させることができる。
【００２６】
（実施形態２）
次に、本発明に係る実施形態２について図面を参照して説明する。図２は、本発明の実施形態２に係るプラズマ発生装置の主要部分である電極部を示す模式図である。なお、前記各図では、説明を判り易くするため、各部材の厚さやサイズ、拡大・縮小率等は、実際のものとは一致させずに記載した。
【００２７】
図２に示すように、実施形態２に係るプラズマ発生装置の電極部２は、互いに間隔をおいて配置された一対の電極２１Ａ及び２１Ｂと、電極２１Ａ及び２１Ｂの互いに対向する面に各々配設された誘電体膜２２Ａ及び２２Ｂと、誘電体膜２２Ａと誘電体膜２２Ｂとの間となる反応器内のプラズマ放電領域１３に収容された複数のビーズ１４とを有している。ビーズ１４の表面には、実施形態１と同様に、光触媒からなる膜１５が形成されている。
【００２８】
電極２１Ａ及び２１Ｂ及び誘電体膜２２Ａ及び２２Ｂには、被反応物が通過するための複数の流体流通孔２３が形成されており、これらの流体流通孔２３を通過した被反応物がプラズマ放電領域１３に流入するように構成されている。
【００２９】
なお、流体流通孔２３の径（α）は、プラズマ放電領域１３に流入させる被反応物の流入量等、所望の条件により適宜選択することができる。
【００３０】
この電極部２はフローティング電極を用いた構造であり、この電極部２を備えたプラズマ発生装置では、図２に矢印Ｘで示すように、複数の流体流通孔２３からプラズマ放電領域１３に流入したガスや液体等の被反応物が、光触媒からなる膜１５が形成された複数のビーズ１４の間を通過するため、前記光触媒と被反応物との接触面積を増加させることができる。ここで、被反応物は、複数の流体流通孔２３からプラズマ放電領域１３に大量に流入させることができるため、前記光触媒と被反応物との反応効率をさらに上げることができ、被反応物中の有機物分解効果、脱臭効果、殺菌効果等をより向上させることができる。
【００３１】
（実施形態３）
次に、本発明に係る実施形態３について図面を参照して説明する。図３は、本発明の実施形態３に係るプラズマ発生装置の主要部分である電極部を示す模式図である。なお、前記各図では、説明を判り易くするため、各部材の厚さやサイズ、拡大・縮小率等は、実際のものとは一致させずに記載した。
【００３２】
図３に示すように、実施形態３に係るプラズマ発生装置の電極部３は、互いに間隔をおいて配置された一対の電極３１Ａ及び３１Ｂと、電極３１Ａ及び３１Ｂの互いに対向する面に各々配設された誘電体膜３２Ａ及び３２Ｂと、電極３１Ａ及び３１Ｂの誘電体膜３２Ａ及び３２Ｂが形成された面とは反対側の面に各々配設された誘電体膜３３Ａ及び３３Ｂと、誘電体膜３３Ａと誘電体膜３３Ｂとの間となる反応器内のプラズマ放電領域１３に収容された複数のビーズ１４とを有している。ビーズ１４の表面には、実施形態１と同様に、光触媒からなる膜１５が形成されている。
【００３３】
電極３１Ａ及び３１Ｂ、誘電体膜３２Ａ及び３２Ｂ、誘電体膜３３Ａ及び３３Ｂには、被反応物が通過するための複数の流体流通孔３６が形成されており、これらの流体流通孔３６を通過した被反応物がプラズマ放電領域１３に流入するように構成されている。
【００３４】
なお、流体流通孔３６の径（α）は、プラズマ放電領域１３に流入させる被反応物の流入量等、所望の条件により適宜選択することができる。
【００３５】
この電極部３はフローティング電極を用いた構造であり、この電極部３を備えたプラズマ発生装置では、図３に矢印Ｘで示すように、複数の流体流通孔３６からプラズマ放電領域１３に流入したガスや液体等の被反応物が、光触媒からなる膜１５が形成された複数のビーズ１４の間を通過するため、前記光触媒と被反応物との接触面積を増加させることができる。ここで、被反応物は、複数の流体流通孔３６からプラズマ放電領域１３に大量に流入させることができるため、前記光触媒と被反応物との反応効率をさらに上げることができ、被反応物中の有機物分解効果、脱臭効果、殺菌効果等をより向上させることができる。
【００３６】
上記実施形態２及び３に係るプラズマ発生装置は、被反応物の入り側または出側がフィルタ構造（またはメッシュ構造）により、流体の流れがよくなるため、被反応物との圧力損失を低減することができる。
【００３７】
また、電極部３は、電極３１Ａを誘電体膜３２Ａ及び誘電体膜３３Ａで挟み、電極３１Ｂを誘電体膜３２Ｂ及び誘電体膜３３Ｂで挟んだ構造となっているため、フレキシブルデバイスにすることができる。
【００３８】
なお、上記実施形態１〜３に係るプラズマ発生装置は、被反応物の入り側または出側（即ち、電極部の前段及び／または後段）に、例えばファン等の送風部を配設してもよい。このように送風部を配設することで、プラズマ放電領域１３に被反応物をさらに効率よく流入させることができるため、光触媒との反応効率をさらに向上させることができる。
【００３９】
次に、上記実施形態１〜３に係る電極部が形成されたデバイスと、実施形態１〜３に係る電極部が形成されていないデバイスとの比較を行った。
【００４０】
図４（ａ）は、本発明に係る電極部を配設したデバイスの断面構造を模式的に示す図であり、電極基板１００上に絶縁薄膜１１０を介して、その上の所定位置に互いに間隔をおいて電極１２０を形成し、電極１２０と電極１２０との間の絶縁膜上に本発明に係る電極部（フローティング電極）１または２または３を形成したものである。
【００４１】
一方、図５（ａ）は、比較例であり、電極基板１００上に絶縁薄膜１１０を介して、その上所定位置に互いに間隔をおいて電極１２０を形成したデバイスを示している。
【００４２】
次に、図４（ａ）に示すデバイスと図５（ａ）に示すデバイスに対し、同様の条件でプラズマ２００を発生させたところ、本発明に係るデバイスでは、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、比較例（図５（ａ）及び（ｂ））に比べ、発光強度が大幅に増加したことが確認された。また、本発明に係るデバイスは、比較例に比べ、発光開始が早くなることが確認された。さらに、シミュレーションにより、本発明に係る電極部は、電荷蓄積が生じるため、比較例に比べ、電荷配列による抵抗損失が小さくなり、電界増強が発光を促進することが確認された。
【００４３】
なお、実施形態１〜３では、光触媒として酸化チタンを使用した場合について説明したが、これに限らず、光触媒は、光を照射することにより触媒作用を示す物質であれば、所望により適宜選択することができる。
【００４４】
また、実施形態１〜３では、一対の電極の両方に誘電体膜を配設した場合について説明したが、これに限らず、誘電体膜は、一対の電極の少なくとも一方に配設されていればよい。
【符号の説明】
【００４５】
１、２、３    電極部
１１Ａ、１１Ｂ、２１Ａ、２１Ｂ、３１Ａ、３１Ｂ    電極
１２Ａ、１２Ｂ、２２Ａ、２２Ｂ、３２Ａ、３２Ｂ、３３Ａ、３３Ｂ    誘電体膜
１３    プラズマ放電領域
１４    ビーズ
１５    光触媒からなる膜
２３、３６    流体流通孔
【図１】
2014113537.tif 000003
【図２】
2014113537.tif 000004
【図３】
2014113537.tif 000005
【図４】
2014113537.tif 000006
【図５】
2014113537.tif 000007