(57)【要約】  対象空間のガスを電離させる電離部と、対象空間に照射される電磁波を発振する電磁波発振器と、電離手段により電離したガスが存在するガス電離領域に電磁波発振器から供給された電磁波を照射するためのアンテナとを備え、電離部によりガスを電離させると共に、アンテナから電磁波を照射することにより、プラズマを生成するプラズマ生成装置において、アンテナでは、電磁波発振器から電磁波が供給されると、周囲に比べて電場が強い強電場領域が複数形成され、電離手段は、複数の強電場領域の周りのガス、又は強電場になる直前の複数の領域の周りのガスを電離させる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象空間のガスを電離させる電離手段と、
上記対象空間に照射される電磁波を発振する電磁波発振器と、
上記電離手段により電離したガスが存在するガス電離領域に上記電磁波発振器から供給された電磁波を照射するためのアンテナとを備え、
上記電離手段によりガスを電離させると共に、上記アンテナから電磁波を照射することにより、プラズマを生成するプラズマ生成装置において、
上記アンテナでは、上記電磁波発振器から電磁波が供給されると、周囲に比べて電場が強い強電場領域が複数形成され、
上記電離手段は、上記複数の強電場領域の周りのガス、又は強電場になる直前の複数の領域の周りのガスを電離させる
ことを特徴とするプラズマ生成装置。
【請求項２】
請求項１において、
上記アンテナには、形状及び寸法の少なくとも一方が変化する複数の変化部が形成され、該変化部近傍が強電場領域になる
ことを特徴とするプラズマ生成装置。
【請求項３】
請求項２において、
上記アンテナは、上記変化部として複数の屈曲部が形成された棒状のアンテナである
ことを特徴とするプラズマ生成装置。
【請求項４】
請求項２において、
上記アンテナは、上記変化部として複数の太さの変化部が形成された棒状のアンテナである
ことを特徴とするプラズマ生成装置。
【請求項５】
請求項２乃至４の何れか１つにおいて、
上記アンテナでは、隣接する変化部間の距離が、上記アンテナにおける電磁波の波長の略半分ないし３／４の範囲である
ことを特徴とするプラズマ生成装置。
【請求項６】
請求項３において、
上記アンテナは、矩形波形状に形成されている
ことを特徴とするプラズマ生成装置。
【請求項７】
請求項６において、
上記アンテナが、複数並べられ、
隣接するアンテナでは、矩形波が連なる方向に互いの屈曲部の位置がずれている
ことを特徴とするプラズマ生成装置。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れか１つにおいて、
上記電離手段は、上記複数の強電場領域、又は強電場になる直前の複数の領域に対応して配置され、該領域の周囲で放電を生じさせる複数の放電器を備えている
ことを特徴とするプラズマ生成装置。
【請求項９】
請求項８において、
上記電離手段は、複数の放電器の間で放電を生じさせるタイミングをずらす
ことを特徴とするプラズマ生成装置。
【請求項１０】
請求項１乃至７の何れか１つにおいて、
上記電離手段は、上記複数の強電場領域、又は強電場になる直前の複数の領域に、ガスを電離させるためのレーザー光を照射するレーザー照射器を備えている
ことを特徴とするプラズマ生成装置。
【請求項１１】
請求項１乃至１０の何れか１つにおいて、
上記アンテナを動かす駆動手段を備えている
ことを特徴とするプラズマ生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスを電離させた領域に電磁波を照射するプラズマ生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ガスを電離させた領域に電磁波を照射するプラズマ生成装置が知られている。この種のプラズマ生成装置は、揮発性有機化合物（Ｖｏｌａｔｉｌｅ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ：ＶＯＣ）をはじめとする種々の大気汚染物質の分解や無害化のために用いることができる。【０００３】
発明者らは、放電とマイクロ波照射を併用するプラズマ生成装置を提案している（特許文献１及び特許文献２）。例えば、特許文献２のガス処理システムでは、スパーク放電により小規模のプラズマが生成され、そのプラズマにマイクロ波パルスが照射される。プラズマ中の荷電粒子には、マイクロ波パルスのエネルギーが供給される。これにより、プラズマが拡大成長する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１１３５７０号公報
【特許文献２】特開２００９−０３４６７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、複数の位置でプラズマを生成することが考えられる。しかし、従来のプラズマ生成装置では、１つのアンテナに対して１箇所しかプラズマを生成することができない。そのため、複数の位置でプラズマを生成しようとすると、装置構成が複雑化してしまう。【０００６】
本発明は上述の実情に鑑みなされたものであって、その目的は、ガスを電離させた領域に電磁波を照射するプラズマ生成装置において、複数の位置でプラズマを生成することを簡素な構造で実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、対象空間のガスを電離させる電離手段と、上記対象空間に照射される電磁波を発振する電磁波発振器と、上記電離手段により電離したガスが存在するガス電離領域に上記電磁波発振器から供給された電磁波を照射するためのアンテナとを備え、上記電離手段によりガスを電離させると共に、上記アンテナから電磁波を照射することにより、プラズマを生成するプラズマ生成装置において、上記アンテナでは、上記電磁波発振器から電磁波が供給されると、周囲に比べて電場が強い強電場領域が複数形成され、上記電離手段は、上記複数の強電場領域の周りのガス、又は強電場になる直前の複数の領域の周りのガスを電離させるプラズマ生成装置。【０００８】
第１の発明では、電磁波発振器からアンテナに電磁波が供給されると、アンテナには複数の強電場領域が形成される。電離手段は、複数の強電場領域の周りのガス、又は強電場になる直前の複数の領域の周りのガスを電離させる。その結果、ガス電離領域の荷電粒子は、強電場領域から電磁波のエネルギーを受けるので、ガス電離領域では比較的大きなプラズマが生成される。強電場になる直前の複数の領域の周りのガスを電離させる場合においても、ガスを電離させた直後に電磁波により強電場領域が形成され、荷電粒子が強電場領域から電磁波のエネルギーを受けて、比較的大きなプラズマが生成される。このように、第１の発明では、１本のアンテナに対して複数の位置でプラズマを生成することが可能である。【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、上記アンテナには、形状及び寸法の少なくとも一方が変化する複数の変化部が形成され、該変化部近傍が強電場領域になる。【００１０】
第３の発明は、第２の発明において、上記アンテナが、上記変化部として複数の屈曲部が形成された棒状のアンテナである。【００１１】
第４の発明は、第２の発明において、上記アンテナが、上記変化部として複数の太さの変化部が形成された棒状のアンテナである。【００１２】
第５の発明は、第２乃至第４の発明において、隣接する変化部間の距離が、上記アンテナにおける電磁波の波長の略半分ないし３／４の範囲である。【００１３】
第６の発明は、第３の発明において、上記アンテナが、矩形波形状に形成されている。【００１４】
第７の発明は、第６の発明において、上記アンテナが、複数並べられ、隣接するアンテナでは、矩形波が連なる方向に互いの屈曲部の位置がずれている。【００１５】
第８の発明は、第１乃至第７の発明において、上記電離手段は、上記複数の強電場領域、又は強電場になる直前の複数の領域に対応して配置され、該領域の周囲で放電を生じさせる複数の放電器を備えている。【００１６】
第９の発明は、第８の発明において、上記電離手段が、複数の放電器の間で放電を生じさせるタイミングをずらす。【００１７】
第１０の発明は、第１乃至第７の発明において、上記電離手段が、上記複数の強電場領域、又は強電場になる直前の複数の領域に、ガスを電離させるためのレーザー光を照射するレーザー照射器を備えている。【００１８】
第１１の発明は、第１乃至第７の発明において、上記アンテナを動かす駆動手段を備えている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、１本のアンテナに対して複数の位置でプラズマを生成することが可能である。従って、複数の位置でプラズマを生成することを簡素な構造で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、電界シミュレーションの結果である。
【図２】図２は、本発明に係る実施形態１の概略構成図である。
【図３】図３は、本発明に係る実施形態１の変形例１の概略構成図である。
【図４】図４は、本発明に係るガス処理装置の配置構成を示す図である。
【図５】図５は、本発明に係る実施形態１の変形例２の概略構成図である。
【図６】図６は、本発明に係る実施形態２の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
【００２２】
以下では、実施形態について説明する前に、本発明に係るプラズマ生成装置に関し、本願の発明者によって導き出された電界分布のシミュレーション結果について説明する。このシミュレーションは、アンテナが矩形波形状の１本の金属棒体により構成されている場合の電界分布を数値計算したものである。その計算結果を図１に示す。
【００２３】
図１に示すとおり、この金属棒体の電界分布において、電磁波の１／２波長ごとに電場が強くなっていること、さらには、この金属棒体の屈曲部に電場が集中して、周囲に比べて電場が強い強電場（強電界）が形成されていることが分かった。
【００２４】
また、電磁波の１／２波長のみではなく、１／２波長から３／４波長の範囲でも同様に電場が強くなっていることが分かった。
〔実施形態１〕
【００２５】
以下、実施形態１について図面を参照しながら説明する。実施形態１は、本発明に係るプラズマ生成装置により構成されたガス処理装置１である。このガス処理装置１は、本発明の一例である。このガス処理装置１は、図４に示すように、例えばドラフトチャンバー１１からの排気ガスの流路となる排気ダクト１０の間に反応室と共に配設されて使用される。排気ダクト１０を通過した排気ガスは、最終的に外部処理装置１２に導かれる。
【００２６】
このガス処理装置１は、排気ダクト１０の間において、プラズマ、プラズマの熱、及びプラズマより生じる酸化力の高い活性成分を用いて、排気ガス中の芳香族有機化合物、アルデヒド類などの種々の有機化合物を酸化させ、最終的に二酸化炭素と水に改質して有害物質の無害化を行う。なお、酸化力の高い活性成分とは、具体的には、ＯＨラジカル、オゾンなど、空気中の酸素または水を非平衡状態のプラズマによって処理することにより生じる成分である。
【００２７】
図２に実施形態１のガス処理装置１を示す。なお、図２では、ガス流路となるダクト内に配置されるファンなどからなるガス導入部及びガス排出部は省略している。
【００２８】
図２に示すように、実施形態１のガス処理装置１Ａは、排気ダクト１０の途中の反応室２０に設けられている。ガス処理装置１Ａは、複数のプラズマ発生器２と、電磁波照射器３とを備えている。
【００２９】
各プラズマ発生器２は、スパーク放電により小規模のプラズマを生成する。複数のプラズマ発生器２により、対象空間のガスを電離させる電離手段が構成されている。小規模のプラズマが形成される領域は、電離手段により電離したガスが存在するガス電離領域に相当する。電離手段は、後述する複数の強電場領域の周りのガス、又は強電場になる直前の複数の領域の周りのガスを電離させる。また、プラズマ発生器２は、複数の強電場領域、又は強電場になる直前の複数の領域に対応して配置され、該領域の周囲で放電を生じさせる放電器を構成している。
【００３０】
なお、プラズマ発生器２には、例えば自動車等で使用されるスパークプラグを用いることができる。その場合は、ガス処理装置１を安価に製造することができる。
【００３１】
電磁波照射器３は、複数のプラズマ発生器２により生成された小規模のプラズマに対して電磁波（マイクロ波パルス）を照射する。電磁波照射器３は、電磁波発振器２１（電磁波制御・電源ユニット）とアンテナ４とを備えている。電磁波発振器２１は、対象空間となる反応室２０に照射される電磁波を発振する。電磁波発振器２１は、アンテナ４の端部に接続され、アンテナ４に電磁波を印加する。
【００３２】
また、本実施形態において、電磁波として、波長が２．４５ＧＨｚのマイクロ波を選択している。そのため、家庭用のマグネトロンを採用することができ、ガス処理装置１を安価に製造することができる。電磁波の波長が２．４５ＧＨｚである場合は、１／２波長が６０ｍｍ程度、３／４波長が９０ｍｍ程度になる。
【００３３】
アンテナ４は、複数の屈曲部５（形状が変化する変化部）を有する矩形波形状の金属棒体である。アンテナ４は、反応室内２０に露出するように設けられている。アンテナ４は、ほぼ等間隔で折り曲げられることにより矩形波形状に構成されている。アンテナ４では、隣接する屈曲部５の間の距離が、アンテナ４を流れる電磁波（マイクロ波パルス）の波長の半分の長さになっている。なお、隣接する屈曲部５の間の距離は、アンテナを流れる電磁波の波長の略１／２から略３／４の範囲になっていればよい。
【００３４】
アンテナ４では、電磁波発振器２１から電磁波が供給されると、屈曲部５が、周囲に比べて電場が強い強電場領域になる。強電場領域は複数形成される。なお、電磁波発振器２１からアンテナ４に電磁波が供給されたときに、電磁波の腹部が屈曲部５にちょうど位置するように電磁波の位相などを調節すると、屈曲部５における電場がさらに強くなる。
ガス処理装置１の動作について説明する。ガス処理装置１は、例えば次の２つの工程によって、ガス処理に用いるプラズマを生成する。
【００３５】
まず、プラズマ発生器２がスパーク放電を生じさせる。反応室２０では、スパーク放電により小規模のプラズマが生成される。そして、電磁波発振器２１から発振された電磁波が、アンテナ４から小規模のプラズマに対して照射される。アンテナ４から照射された電磁波は、プラズマ中の荷電粒子にエネルギーを与えて、プラズマの拡大成長をアシストする。
【００３６】
このとき、処理対象となるガス中の成分、濃度などに応じて、マイクロ波パルスの持続時間の調整と、プラズマを用いた処理回数の調整とを行う。マイクロ波パルスの調整においては、例えば、マイクロ波パルスの持続時間を調整することにより、非平衡プラズマ、熱平衡プラズマの選択的な生成、またはプラズマの温度制御を行う。また、例えば、単位時間当たりのマイクロ波パルスの照射回数を調整することにより、処理量の調整を行う。
【００３７】
なお、複数のプラズマ発生器２の間で、ガスをプラズマ化させるタイミングをずらしてもよい。例えば、複数のプラズマ発生器２が、所定の周期で順番にガスをプラズマ化させてもよい。その場合は、複数のプラズマ発生器２が同時にガスをプラズマ化する場合に比べて、１つのプラズマが吸収する電磁波のエネルギーが大きくなるので、プラズマをより拡大することができる。
【００３８】
また、電磁波発振器２１は、パルス電源からの電力の供給を受けて電磁波を発振し、電磁波の発振と停止を所定のデューティー比で繰り返す。電磁波により維持されるプラズマは、熱プラズマになることがなく、非平衡プラズマで維持される。
−実施形態１の効果−
【００３９】
実施形態１では、各プラズマ発生器２が、アンテナ４の屈曲部５の近傍に配置されている。各プラズマ発生器２は、アンテナ４における定在波の腹近傍に配置されることになる。実施形態１では、電磁波が印加されるアンテナ４の屈曲部５において電場を集中させることができることに鑑みて、各プラズマ発生器２が屈曲部５の近傍に配置しているので、プラズマの発生範囲を効果的に拡大することができる。
−実施形態１の変形例１−
【００４０】
次に、変形例１について図３を参照しながら説明する。変形例１では、金属棒体により構成されたアンテナ４が、２つ設けられている。実施形態１と同様に、両方のアンテナ４の各屈曲部５の近傍に、プラズマ発生器２が配置されている。
【００４１】
変形例１では、各アンテナ４が、矩形波が連なる方向（アンテナ４の長手方向）がガスの流通する方向に合わせて配置されている。２つのアンテナ４は、隣り合うように並べられている。２つのアンテナ４では、矩形波が連なる方向に互いの屈曲部５の位置がずれている。矩形波が連なる方向における屈曲部５の位置のずれ量は、アンテナ４に印加される電磁波の波長の略１／４の長さになるように設定されている。
【００４２】
従って、発生したプラズマの発生領域が互いに干渉することがない。このため、プラズマの発生領域が干渉する場合に比べて、プラズマが生成される領域の体積が大きくなる。従って、多くのガスをプラズマに接触させることができ、ガスの処理効率を向上させることができる。
−実施形態１の変形例２−
次に、変形例２について図５を参照しながら説明する。変形例２では、アンテナ４が、三角波形状に構成されている。複数の放電器１５６は、ガス流路１１０の内壁において、そのガス流通方向においてアンテナ４の屈曲部５に対向するように配置されている。各放電器１５６は、放電電極１５６ａと接地電極１５６ｂの間の放電ギャップが屈曲部５の周囲に位置している。
【００４３】
変形例２において、アンテナ４を動かす駆動手段９５を設けてもよい。駆動手段９５は、アンテナ４を回転させるモータ９５により構成されている。その場合は、ガス流通方向に隣接する放電器１５６同士では、互いの位置が周方向にずらされる。アンテナ４の回転中に、各放電器１５６は、屈曲部５が近接したときに放電を生じさせる。
【００４４】
なお、駆動手段９５は、アンテナ４を往復運動（例えば、図５における上下方向又は左右方向の往復運動）させるように移動させてもよい。
〔実施形態２〕
【００４５】
以下、実施形態２について図面を参照しながら説明する。実施形態２は、本発明に係るプラズマ生成装置により構成されたガス処理装置１である。
【００４６】
実施形態２では、図６に示すように、アンテナ４に、太さの変化部２５が２箇所設けられている。このアンテナ４では、電磁波発振器２１から電磁波を供給されると、太さの変化部２５の周囲が強電場領域となる。また、アンテナ４では、先端が強電場領域となる。アンテナ４には、強電場領域が３箇所形成される。
【００４７】
実施形態２では、電離手段が、複数の強電場領域、又は強電場になる直前の複数の領域に、ガスを電離させるためのレーザー光を照射するレーザー照射器３７である。レーザー照射器３７は、レーザー光を発振する発振器３１（例えば半導体レーザー）と、コリメートレンズ３２と、シリンドリカルレンズ３３と、ポリゴンミラー３４と、ｆθレンズを構成する球面レンズ３５及びトロイダルレンズ３６とを備えている。レーザー照射器３７は、ポリゴンミラー３４を回転させることにより、レーザー光の集光位置をアンテナ４の延伸方向に変更することが可能である。レーザー照射器３７は、電磁波発振器２１からアンテナ４へ電磁波が供給されているときに、３箇所の強電場領域に順番にレーザー光を集光させてプラズマを生成する。そうすると、異なるタイミングで各強電場領域に生成されたプラズマは、電磁波のエネルギーを吸収して拡大する。
【００４８】
なお、アンテナ４の中間部４ｂを基端部４ａの内外へ動かすと共に、アンテナの先端部４ｃをアンテナの中間部４ｂの内外へ動かす駆動機構（駆動手段）を設けて、電磁波発振器２１からアンテナ４へ電磁波が供給されているときに、アンテナ４の長さを変化させてもよい。その場合、アンテナ４では強電場領域の位置が変化するので、その強電場領域にレーザー光を集光させることで、様々な位置に電磁波プラズマを生成することが可能になる。
〔その他の実施形態〕
【００４９】
上記実施形態は、以下のように構成してもよい。
【００５０】
上記実施形態において、プラズマ生成器は、例えば樹脂等の部材の表面を改質する表面改質装置に適用してもよい。
【００５１】
また、上記実施形態では、電磁波の発振開始タイミングは、プラズマ生成器によるガスのプラズマ化の前であるが、小規模のプラズマが消滅する前であれば、プラズマ生成器によるプラズマ化の後であってもよい。
【００５２】
また、上記実施形態において、アンテナ４は、一様の太さの変化部がない棒状のアンテナでもよい。その場合にも、電磁波がアンテナ４に供給されたときにアンテナ４に腹が複数の定在波ができるようにアンテナ４の長さを設定しておけば、アンテナ４に複数の強電場領域が形成される。
【符号の説明】
【００５３】
１      ガス処理装置（プラズマ生成器）
１Ａ    ガス処理装置
１Ｂ    ガス処理装置
２      プラズマ発生器（電離手段、放電器）
３      電磁波照射器
４      アンテナ
５      屈曲部（変化部）
１０    ダクト（排気ダクト）
１１    ドラフトチャンバー
１２    外部処理装置
２０    反応室
２１    電磁波発振器
【図１】
2011034190.tif 000003
【図２】
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【図４】
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【図６】
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【図３】
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【図５】
2011034190.tif 000008
【国際調査報告】
2011034190.tif 000009
2011034190.tif 000010
2011034190.tif 000011
2011034190.tif 000012
2011034190.tif 000013
2011034190.tif 000014