(57)【要約】【課題】気体の種類によらない大気圧マイクロ波プラズマの良好な点火性を得る方法および装置を提供する。【解決手段】大気圧マイクロ波プラズマを発生させる放電管の中に、プラズマ化する気体を流し、火花放電電極を該放電管内のマイクロ波電界強度の高い場所に位置するよう挿入し、そこで火花放電させてプラズマを点火させた後、電極をプラズマから離れた場所に待避させることにより、多種類のガスで大気圧プラズマを容易に自動点火させることができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気圧下でマイクロ波プラズマを点火する方法であって、気体をプラズマ放電管内に流し、火花放電電極を該プラズマ放電管内のマイクロ波電界強度の高い場所に位置するように挿入し、該火花放電電極による火花放電によりプラズマを点火させたあと、該火花放電電極をプラズマから待避させることを特徴とするマイクロ波プラズマの点火方法。
【請求項２】
前記火花放電電極は、同軸二極型電極であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマの点火方法。
【請求項３】
前記プラズマ放電管をマイクロ波共振器を使ったプラズマ発生装置の該マイクロ波共振器内に設置し、前記同軸二極型電極を該プラズマ放電管内の電気力線と平行に挿入し、火花放電によりプラズマを点火させることを特徴とする請求項２に記載のプラズマの点火方法。
【請求項４】
マイクロ波共振器を使った大気圧プラズマ発生装置のプラズマ点火装置おいて、該マイクロ波共振器内に気体を流すプラズマ放電管を設置し、該プラズマ放電管内のマイクロ波電界強度の高い場所に火花放電電極の放電部分を進出および待避できるように移動可能に設けたことを特徴とするプラズマ点火装置。
【請求項５】
前記火花放電電極は、同軸二極型電極であることを特徴とする請求項４に記載のプラズマの点火装置
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大気圧プラズマを用い、プラズマの持つ非常に高い温度やラジカル反応等を利用する技術の中で、大気圧プラズマを容易に開始できるようにするプラズマ点火法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、大気圧下でマイクロ波によるプラズマを点火することはあまり容易ではない。しかしながら、使用する気体がアルゴンまたはヘリウムであれば、それを電界強度の高いマイクロ波の中に導入することにより、大気圧であっても比較的簡単に点火させることができる。また、アルゴンやヘリウム以外の気体を使用する場合であっても、減圧下であれば容易に点火させられる。したがって、これらの性質を利用して、大気圧プラズマとして点火しにくい気体の場合であっても、まずへリウムまたはアルゴンでプラズマを点火させた後、徐々に目的の気体に置き換える方法や、低圧で点火させた後に徐々に圧力を高めて大気圧とする方法が使われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、空気や窒素等のガスで最初から大気圧下でプラズマ放電を開始させるには、非常に高いマイクロ波電界を使用する必要があり、このような電界を与えると放電管の外部で放電を開始することがあるので危険である。また、テスラコイルのように非常に高い電圧を使用し、放電管内部の、マイクロ波電界強度の最も高い場所から離れた位置で放電を行ない、大気圧下でマイクロ波放電を開始させているものもあるが、確実な点火が得られないために自動点火への応用は容易ではない。
【０００４】
また、従来のプラズマ点火法は、まずへリウムまたはアルゴンでプラズマを点火させた後、徐々に目的の気体に置き換える方法や、低圧で点火させた後に徐々に圧力を高めて大気圧とする方法を採用しているため、大気圧プラズマを得るまでにいくつかのステップを必要とし、時間が掛り、自動化しにくいという欠点を有する。特に連続運転を必要とするプラズマ装置においては、一旦点火したプラズマが何らかの原因で停止した場合には直ちに再点火させることが望ましいが、それができない場合は、一旦マイクロ波電源を停止させる等の処置を必要とする。プラズマが停止したままマイクロ波電源が作動していると、マイクロ波発生装置に少なからずダメージを与え、破損させることがある。したがって、大気圧プラズマを簡単で確実に点火させる方法があれば、簡単に再点火することが可能になり、安全性も確保しやすくなる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記従来の欠点を除去すべくなされたものであって、このため、請求項１によるプラズマ点火方法は、大気圧下でマイクロ波プラズマの点火方法として、プラズマ化すべき気体をプラズマ放電管内に流し、火花放電電極を該プラズマ放電管内のマイクロ波電界強度の高い場所に位置するように挿入し、該電極による火花放電によりプラズマを点火させたあと、該電極を直ちにプラズマから待避させることを特徴とする。火花放電電極をプラズマ放電管内に挿入する際、気体の上流側から挿入することが好ましい。
【０００６】
大気圧下でプラズマを点火するためには、最初に電子を発生させることが必要である。電子が強電場の中で加速されることにより中性の分子と衝突してさらに多くの電子を発生させ、加速的に電子が増加してプラズマが形成される。この最初の電子を与えるためには火花放電が簡便であり、放電電極の間隔を狭くすればテスラコイルのような高い電圧を与えなくても良好な放電が得られる。一方、少ない数の電子がプラズマに成長するためには強度の高いマイクロ波電界が必要であり、放電開始のために局所的に高い電場を形成させることが望ましい。
【０００７】
本発明はこれらの条件を容易に満たす方法として、上記構成による火花放電を使った点火方法を提供するもので、これにより窒素や空気等ガスの種類によらず大気圧下でプラズマがガスライターの着火装置程度の火花放電で点火可能となる。しかも、火花放電によりプラズマを点火させたあと、電極を直ちにプラズマから待避させるようにしたので、電極への損傷は非常に小さい。
【０００８】
また、請求項２によるプラズマ点火方法は、請求項１の方法において、上記火花放電電極が同軸二極型電極であることを特徴とする。
放電電極を導波管内のマイクロ波電界の中に挿入すると、電極がアンテナとなってマイクロ波が導波管の外に出てくるので、放電電極に接続される高圧電源の配線を経由してマイクロ波が放射され、人体に対する危険性がある。このため高電圧配線のシールドが必要となるが、テスラコイルのような高電圧では絶縁が容易ではない。本発明の方法では、比較的低い電圧による放電を使うので絶縁が容易であり、放電電極を同軸二極型として外側電極を接地しておけば、マイクロ波の漏洩に関する心配は全くなくなる。放電電圧は２ｋＶ程度であり、プラズマ点火後は直ちにプラズマ領域外に待避させるので、電極や絶縁体の材質は特別に耐熱性や耐食性であることを必要としない。
【０００９】
また、単極あるいは平行二線型の高圧電極をマイクロ波電界の中に挿入して放電点火させる方式では、電極がマイクロ波のアンテナとなって導波管の外に強いマイクロ波の漏出を起こすためシールド対策が必要となるが、同軸二極型電極ではその心配が無く安全性が確保しやすい。
【００１０】
さらに、請求項３によるプラズマ点火方法は、請求項２の方法において、上記プラズマ放電管をマイクロ波共振器を使ったプラズマ発生装置の該マイクロ波共振器内に設置し、上記同軸二極型電極を該プラズマ放電管内の電気力線と平行に挿入し、火花放電によりプラズマを点火させることを特徴とする。
【００１１】
同軸二極型放電電極をプラズマ放電管内の電気力線と平行に挿入にすることで、マイクロ波を調整する効果を持つスタブが形成されるのでスタブの先端に位置する該放電電極部のマイクロ波電界強度を高めることができ、それによって火花放電によるプラズマ点火をより容易にすることができる。
【００１２】
また、請求項４によるプラズマ点火装置は、マイクロ波共振器を使った大気圧プラズマ発生装置のプラズマ点火装置おいて、該マイクロ波共振器内にプラズマ化する気体を流すプラズマ放電管を設置し、該プラズマ放電管内のマイクロ波電界強度の高い場所に火花放電電極の放電部分を進出および待避できるように移動可能に設けたことを特徴とする。
【００１３】
これにより、請求項１と同様な作用効果を有するプラズマ点火装置を得ることができる。
さらに、請求項５によるプラズマ点火装置は、請求項４のプラズマ点火装置において、上記火花放電電極が同軸二極型電極であることを特徴とする。
【００１４】
これにより、請求項２と同様な作用効果を有するプラズマ点火装置を得ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について、大気圧マイクロ波プラズマを点火する装置について図１〜３を参照しながら説明する。
【００１６】
図１は本発明のプラズマ点火方法に使用される同軸二極型の放電電極１で、これに２ｋＶ以上の直流、交流、高周波、パルス等の波形で電圧を与えて火花放電を発生させる。
【００１７】
電極の材質には、常時プラズマから待避するため、同軸二極型電極の管状外側電極３と棒状内側電極５の両方ともに特に耐熱性及び耐食性を要求されない。したがって、ステンレス鋼が好ましく、ニッケル、クロム、アルミニウム及び銅、またはそれらのいずれかを含む合金を用いてもよい。同軸二極型電極１の外側電極３と内側電極５とを隔てる絶縁体７には、セラミックスまたはガラス等を用いる。
【００１８】
また、火花放電用電源（図示せず）には２ｋＶ以上の電圧を発生させられるものが好ましく、放電エネルギーが大きい必要はないので、ガスコンロ点火用の火花放電と同等の火花放電が得られるものであればよい。また、圧電素子で発生した高圧電気を使用することもできる。
【００１９】
図２および図３は、方形導波管を使ったマイクロ波共振器に放電管を入れて大気圧プラズマを発生させてガスのプラズマ処理を行なう装置に、上記電極１を設置してプラズマを点火させるようにしたものであって、図において、１１は方形導波管を使ったマイクロ波共振器、１３は該マイクロ波共振器１１の電界強度の高い位置に設置されるようベース１５に取り付けられたプラズマ放電管、１４は該プラズマ放電管１３周りに設けられたマイクロ波シールド、１７はベース１５上で該プラズマ放電管１３の上端部に取り付けられたガス供給ブロックでガス供給ノズル１９を介してプラズマ放電管１３内に被処理ガスを供給する。２１はガス供給ブロック１７と該ガス供給ブロックを貫通する電極１の部分をカバーしてベース１５上に設けられたモータ支持台、２３は該支持台２１上に設置された電極１移動用の小型モータであって、電極１に上下に離間して端部を固定されたベルト２５の中間部をモータのプーリに巻回してこれをモータ２３よって駆動することにより電極１を上下に移動できるようになっている。２７は支持台２１上に設けられたプラズマ点火用の放電スイッチであって、電極１がモータ２３により降下されたとき、電極１上に固定された作動片２９と係合して放電スイッチ２７を作動するようになっている。
【００２０】
しかして、電極１は、図２に示すように、その放電部２が常時プラズマから待避した場所に位置するように配置され、点火時にのみ、図３に示すように、電極１の放電部２を共振器１１の中心部に移動させて放電点火し、その後直ちに図２に示す元の場所に移動させるようにしてある。この電極移動のための駆動力には、上記のように小型モータを使用できるが、エアシリンダー及び各種アクチュエーターを使うこともできる。また、図示しないが、電極１の待避時には、電極がプラズマから離れた後に電極挿入用開口部に蓋をする構造を具備してもよい。
【００２１】
なお、同軸二極型電極１の外側電極３を共振器１１の導波管と電気的に接続し、この同軸二極型電極を共振器の中に入れると、マイクロ波に対してはスタブを形成する。スタブとは、棒状の導電性物質を導波管内に挿入することによってマイクロ波を調整するものとして機能し、棒状の導電性物質の先端から導波管内壁間のマイクロ波の電界強度が圧縮される形で高くなる。そのため、放電電極部はマイクロ波の電界強度が高くなり、この効果によりプラズマが発生させやすくなる。
【００２２】
図４は、火花放電電極の変形例を示す。
火花放電電極の先端形状は、例えば図４ａのように内側電極５’の先端を折り曲げて外側電極３との間隔を狭めることにより、低い電圧で放電できるようにしてある。点火の目的にはこのような簡単な構造のもので十分であるが、電極を回転体状（回転対称形）にすることにより、放電が一点に集中しないようにすれば電極の長寿命化が図れる。例えば図４ｂは外側電極３’を回転体状に絞り込み、電極間隔を狭めたものであり、一方図４ｃは内側電極５’’’の先端を円盤状または星形にすることで電極間隔を狭めたものである。両者とも分解処理に伴う反応性ガスが電極内部に入りにくい構造となるので発生ガスによる絶縁体の汚染を軽減することが可能となり、より電極の長寿命化を図ることができる。
【００２３】
【実施例】
次に、本発明の一実施例について説明する。
マイクロ波共振器１１は扁平方形導波管の一端を閉じたもので、定在波を発生させてその電界強度の高い位置に放電管１３を通したものである。この放電管１３に２０ＳＬＭ（標準状態気体での毎分流量体積ｄｍ３）の窒素ガスを流し、０．５〜１．５ｋＷのマイクロ波発生装置を使って点火試験を行った。
【００２４】
火花放電にはネオントランスを使用し、スライダックで一次電圧を変化させて供給した。このとき大気中で確実に放電を起こす電圧は実効値で約２ｋＶであった。放電はネオントランスの一次側にマイクロスイッチを入れて、電極１が共振器の中の定位置まで移動したときに放電が起こるようにしてある。この実験に使用したプラズマ点火装置の主要部分は図２に示したもと同じである。
【００２５】
上記の装置を使い２０ＳＬＭで１．５ｋＷのマイクロ波出力で点火試験を行ったところ、２ｋＶの火花放電でほば確実に点火できた。マイクロ波出力を下げていき、点火しなくなる出力を調べたところ、０．７ｋＷ以下では点火が不確実となり、０．６ｋＷで点火しなくなった。いったん点火したプラズマが、マイクロ波出力を下げていくことにより消火する値は０．６ｋＷであり、点火可能な出力との差は殆どない。
【００２６】
電極１の材質は同軸二極型電極の外側電極３と内部電極５の両方をステンレスで製作し、これで数十回の点火試験を行ったあと、その損傷程度を調べたが、両極ともやや色が変わっている程度で損傷の度合いは非常に小さかった。試験に使用した電極の移動装置は小型モータによるものであり、移動速度が挿入、引き出し（待避）ともに０．３秒程度の時間を要したが、移動装置を例えばエアシリンダー等で製作して０．１秒程度までに速くすれば、プラズマと接触する時間が短くなり、電極の損傷をさらに小さくすることができる。
【００２７】
ここで使用したネオントランスによる火花放電エネルギーの具体的数値は不明であるが、目視による火花の大きさはかなり小さく、ガスコンロ点火用の火花放電と同等であった。従って、プラズマ点火用に使用する放電用高圧電源もガスコンロに使用しているものと同等の簡便なものが使用可能である。さらに、ここで使用したマイクロスイッチの代わりに圧電素子に衝撃を与える構造にして、圧電素子で発生した高圧電気を使用することもできる。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、大気圧下でマイクロ波によるプラズマの点火法として、気体をプラズマ放電管に流し、火花放電電極を該プラズマ放電管内のマイクロ波電界強度の高い場所に位置するように挿入し、該火花放電電極による火花放電によりプラズマを点火させたあと、該火花放電電極をプラズマから待避させることにより、多種類のガスで大気圧プラズマを容易に、しかも自動点火させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に使用される同軸二極型電極の一例を示す部分断面図である。
【図２】電極が待避位置にある本発明によるプラズマ点火装置の一例を示す概略構成図である。
【図３】電極が点火位置にある図２と同様な図である。
【図４】同軸二極型電極の変形例を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１：  火花放電電極
３，３’：  外側電極
５，５’，５’’，５’’’：  内側電極
７：  絶縁体
１１：  マイクロ波共振器
１３：  プラズマ放電管
１９：  ガス供給ノズル
２１：  モータ支持台
２３：  モータ
２５：  ベルト
２７：  放電スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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