(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対向する第１の平板型電極及び第２の平板型電極と、これら両電極の間に介装される誘電体と、前記両電極間に電位差を付与する電位差付与手段とを備えてなり、前記両電極間に高電圧を印加して導入したガスを分解するプラズマ反応容器において、
前記第１の電極及び第２の電極への通電位置が、前記導入ガスの流れ方向の中心より上流側へオフセットして配置され、電界強度分布が上流側で高電界強度、下流側で低電界強度となっていることを特徴とするプラズマ反応容器。
【請求項２】
請求項１において、前記通電位置が第１の電極と第２の電極とで相対向する同位置に配置されていることを特徴とするプラズマ反応容器。
【請求項３】
請求項１又は２において、導入するガスが解離エネルギーの高いガスと低いガスとを含むものであることを特徴とするプラズマ反応容器。
【請求項４】
請求項３において、導入するガスがＣＯ2 、Ｏ2、及びＮ2が共存するガスであることを特徴とするプラズマ反応容器。
【請求項５】
相対向する第１の平板型電極及び第２の平板型電極と、これら両電極の間に介装される誘電体と、前記両電極間に電位差を付与する電位差付与手段とを備えてなり、前記両電極間に高電圧を印加して導入したガスを分解するプラズマ反応容器を用いたガスプラズマ分解方法において、
前記第１の電極及び第２の電極への通電位置を、前記導入ガスの流れ方向の中心より上流側へオフセットした位置に配置して高電圧を印加し、電界強度分布を上流側で高電界強度、下流側で低電界強度とすることを特徴とするガスプラズマ分解方法。
【請求項６】
請求項５において、前記通電位置を前記第１の電極と第２の電極とで相対向する同位置に配置して高電圧を印加することを特徴とするガスプラズマ分解方法。
【請求項７】
請求項５又は６において、導入するガスが解離エネルギーの高いガスと低いガスとを含むものであることを特徴とするガスプラズマ分解方法。
【請求項８】
請求項７において、導入するガスがＣＯ2 、Ｏ2、及びＮ2が共存するガスであることを特徴とするガスプラズマ分解方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ反応容器及びガスプラズマ分解方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、放電を利用して環境中の汚染ガス（例えばＮＯx、ＶＯＣ（揮発性有機化合物、Volatile Organic Compound ）、エチレンなどの有害物質）を浄化する方法として、無声放電によるプラズマ処理を行う方法が知られている。
【０００３】
上記無声放電は、対向する平板電極間に絶縁物質である誘電体層を設け、電極間に交流高電圧を印加することにより達成され、常圧付近においても電極間に一様に広がった放電となる。
【０００４】
以下、従来のガスのプラズマ分解処理方法について説明する。
【０００５】
図１０は、従来技術にかかるガスの分解装置の概略構成図である。
【０００６】
図１０に示すように従来のガス反応装置は、対向する平行金属電極０１Ａ，０１Ｂと、一方の電極（図中下面側）０１Ｂの表面に配してなる誘電体０２と、上記電極０１Ａ，０１Ｂの電極中心（Ｘ）で高電圧を印加する高圧電源０３とから構成されている。この装置によれば、電極０１Ａ，０１Ｂの間に高圧電源０３から交流高電圧を印加すると共に、誘電体０２と対向する電極０１Ａとの間の放電空間部０４に分解するガス０５を供給し、プラズマ分解処理がなされている。
【０００７】
ここで、上記無声放電を各種ガス反応に応用するにあたり、それぞれの電極への通電手段をそれぞれの電極０１Ａ，０１Ｂの中心Ｘに設置する方法が一般的であった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のような電極への通電手段を電極０１Ａ，０１Ｂの電極中心（Ｘ）とする場合では、電極０１Ａ，０１Ｂの中心近傍の電界強度がその周辺部に対して高くなる傾向にあるので、電極の端部から供給されるガスが先ず低電界部で分解され、その後高電界部に移行するので、分解されたガスが再び結合してしまうという問題がある。
【０００９】
また、逆に高電界部で分解したガスが下流側の低電界部で再結合を起こす等があり、プラズマガス分解の反応効率が低下するという問題がある。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑み、電極間の電界強度分布を調整して高効率及び高選択性でガス改質可能なプラズマ反応容器及びガスプラズマ分解方法を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決する本発明の第１の態様は、相対向する第１の平板型電極及び第２の平板型電極と、これら両電極の間に介装される誘電体と、前記両電極間に電位差を付与する電位差付与手段とを備えてなり、前記両電極間に高電圧を印加して導入したガスを分解するプラズマ反応容器において、前記第１の電極及び第２の電極への通電位置が、前記導入ガスの流れ方向の中心より上流側へオフセットして配置され、電界強度分布が上流側で高電界強度、下流側で低電界強度となっていることを特徴とするプラズマ反応容器にある。
【００１２】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記通電位置が第１の電極と第２の電極とで相対向する同位置に配置されていることを特徴とするプラズマ反応容器にある。
【００１３】
本発明の第３の態様は、請求項１又は２の態様において、導入するガスが解離エネルギーの高いガスと低いガスとを含むものであることを特徴とするプラズマ反応容器にある。
【００１４】
本発明の４の態様は、第３の態様において、導入するガスがＣＯ2、Ｏ2、及びＮ2が共存するガスであることを特徴とするプラズマ反応容器にある。
【００１５】
本発明の第５の態様は、相対向する第１の平板型電極及び第２の平板型電極と、これら両電極の間に介装される誘電体と、前記両電極間に電位差を付与する電位差付与手段とを備えてなり、前記両電極間に高電圧を印加して導入したガスを分解するプラズマ反応容器を用いたガスプラズマ分解方法において、前記第１の電極及び第２の電極への通電位置を、前記導入ガスの流れ方向の中心より上流側へオフセットした位置に配置して高電圧を印加し、電界強度分布を上流側で高電界強度、下流側で低電界強度とすることを特徴とするガスプラズマ分解方法にある。
【００１６】
本発明の第６の態様は、第５の態様において、前記通電位置を前記第１の電極と第２の電極とで相対向する同位置に配置して高電圧を印加することを特徴とするガスプラズマ分解方法にある。
【００１７】
本発明の第７の態様は、第５又は６の態様において、導入するガスが解離エネルギーの高いガスと低いガスとを含むものであることを特徴とするガスプラズマ分解方法にある。
【００１８】
本発明の第８の態様は、第７の態様において、導入するガスがＣＯ2 、Ｏ2、及びＮ2が共存するガスであることを特徴とするガスプラズマ分解方法にある。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２２】
（参考実施形態）
図１に本参考実施形態にかかるガス反応器の概略図を示す。
【００２３】
図１に示すように、本参考実施形態にかかるガス反応器は、相対向する第１の金属製平板型電極１１Ａ及び第２の金属製平板型電極１１Ｂと、該第２の電極１１Ｂの表面を被覆してなる誘電体１２と、上記電極１１Ａ及び電極１１Ｂ間に交流電圧を印加することで放電空間１３内にプラズマ放電を生成する電源ユニット１４とから構成されており、電圧印加位置を第１の電極１１Ａではガス流れ方向の下流側の位置とすると共に、誘電体１２を被覆した第２の電極１１Ｂではガス１５のガス流れ方向の前流側の位置とするようにし、電源ユニット１４からの高電圧の印加位置を各々の電極で異なる配置としている。
【００２４】
すなわち、本参考実施形態では電極と平行な二次元平面上において異なるような印加配置としたので、電界強度が平均化し、図２の電界強度分布図に示すように、比較的低密度なプラズマが一様に生成されることになる。
【００２５】
よって、例えばＮＯxガスの分解反応のように比較的解離エネルギーが低く、低密度のプラズマでガス分解反応が進行する反応の場合には、ガスの分解効率が良好なものとなる。
【００２６】
（第１の実施の形態）
図３に本実施の形態にかかるガス反応器の概略図を示す。
【００２７】
図３に示すように、本実施の形態にかかるガス反応器は、相対向する第１の金属製平板型電極１１Ａ及び第２の金属製平板型電極１１Ｂと、該第２の電極１１Ｂの表面を被覆してなる誘電体１２と、上記第１の電極１１Ａ及び第２の電極１１Ｂ間に交流電圧を印加することで放電空間１３内でプラズマ放電を生成する電源ユニット１４とから構成されており、第１の金属製平板電極１１Ａと第２の金属板電極１１Ｂとの通電位置を相対向すると共に、ガス１５の流れ方向の前流側の位置へオフセット配置としている。
【００２８】
すなわち、本実施の形態では電極と平行な二次元平面上において同位置の印加配置としたので、通電手段の設置位置に近いところが高電界強度となり、遠いところが低電界強度となり、図４の電界強度分布図に示すように、電界強度分布が徐々に広がり、高密度のプラズマがガス上流側に集中して生成されることになる。
【００２９】
よって、例えばＣＯ2 ガスの分解反応のように解離エネルギーが高く、高密度のプラズマ部分が存在しないと反応が進行しないような場合には、分解効率が良好なものとなる。
【００３０】
また、本実施の形態では電極中心（Ｘ）よりガス流入方向の前流側へオフセットした位置に通電位置を設置することが好ましく、これにより、反応に要するエネルギーの異なる反応を一つの反応器で達成することが可能となる。
【００３１】
これは、通電位置をガス流れ方向の前流側へ設置した場合、ガスの流れ方向の前流側で高エネルギーを要するガスが反応し、下流側では低エネルギーで十分なガスが反応することになる。
【００３２】
例えば、ＣＯ2 、Ｏ2 、Ｎ2共存ガスの反応の場合には、通電位置をガス流れ方向の前流側へ設置した場合、前流側でＣＯ2 の分解反応と同時にＮＯxの生成反応が生じてしまうが、下流側でＮＯxの分解反応が進むので、総合した反応では、有害なＮＯxを生成することなく、ＣＯ2 の分解反応のみが進行することになる。
【００３３】
よって、分解するガスの種類、組成、目的反応によって、通電位置を適宜選択することにより、高反応効率、高反応選択率を達成することができる。
【００３４】
このように、図３のようなガス混合器を用い、種々のガスを混合した場合でも、プラズマ反応器の通電位置を適宜変更することにより、ガス分解が可能となる。
【００３５】
以下、本発明の好適な実施例について説明するが、本発明は何らこれらの実施例に限定されるものではない。
【００３６】
（実施例１）
図５に示すような装置を用い、電極への通電位置の相違によるガスの分解効率を測定した。
【００３７】
本試験装置は、図５に示すように、複数のガス２１を混合するガス混合器２２と、混合ガスを供給しプラズマ分解処理を施すプラズマ反応器２３と、該プラズマ反応器に高電圧を印加する高圧電源２４と、分解されたガスを測定するガス分析装置２５とから構成されている。
【００３８】
通電位置は下記(1)〜(5)に示すように種々変化させ、ＮＯxガスの分解試験を行った。
【００３９】
(1) 図６（ａ）に示すように、電極への通電位置を相対向させ、電極中心からガス流れ方向の上前流側へａ＝１０ｍｍ位置だけオフセットしたものである。
【００４０】
(2) 図６（ｂ）に示すように、電極への通電位置を相対向させ、電極中心からガス流れ方向の上流側へａ＝２０ｍｍ位置だけオフセットしたものである。
【００４１】
(3) 図６（ｃ）に示すように、電極への通電位置を相対向位置から若干ずらし、高電圧側電極１１Ａへの通電位置１６Ａを上流側へａ＝２０ｍｍ、接地側の電極１１Ｂへの通電位置１６Ｂを上流側へａ＝１５ｍｍだけオフセットしとしたものである。
【００４２】
(4) 参考実施形態と同様に、図６（ｄ）に示すように、電極への通電位置を相対向位置から若干ずらし、高電圧側電極１１Ａへの通電位置１６Ａを異なる位置（中心Ｘを中心として点対象の位置）とし、電極間をｄ＝４０ｍｍとしたものである。
【００４３】
(5) 図１０に示す従来技術にかかり、電極の通電位置を相対向させ、且つ電極中心（ａ＝０ｍｍ）Ｘとしたものである。
【００４４】
以下に本実施例にかかるＮＯxガス分解条件を以下に示す。
【００４５】
ガス組成：ＮＯ（５００ｐｐｍ）＋Ｏ2 （１０％）／Ｎ2 （バランス）
ガス流量：２００ｃｃ／分
目的反応：ＮＯの分解反応（ＮＯ→Ｎ2 ＋Ｏ2 ）
電源電圧：２．８ｋＶ（ピーク値）
電源周波数：１０ｋＨｚ
誘電体材質：Ａｌ2 Ｏ3 （接地側電極側へ配設）
誘電体厚さ：0.５ｍｍ
電極材質：ＳＵＳ
電極寸法：５０ｍｍ×２０ｍｍ（長手方向がガス流れ方向）
放電間隔：0.５ｍｍ
【００４６】
各々のガス分解結果を表１及び図７に示す。
【００４７】
【表１】
0004020566.tif 000002
【００４８】
表１及び図７に示すように、(1)の同位置オフセットａ＝１０ｍｍの場合には、出口濃度が３８０ｐｐｍであり、分解率は２４％であった。また、(2)の同位置オフセットａ＝２０ｍｍの場合には、出口濃度が１４５ｐｐｍであり、分解率は７１％であった。また、(3)の異なる位置のオフセットの場合には、図８の電界強度分布に示すように、電界強度が同位置オフセットより低くなり、出口濃度が９０ｐｐｍであり、分解率が８２％であった。また、(4)の異なる位置の場合には、出口濃度が０ｐｐｍであり、分解率は１００％であった。一方、(5)の同位置で電極中心（ａ＝０ｍｍ）Ｘの場合には、出口濃度が７１０ｐｐｍであり、ガスが分解されず、逆にＮＯxが生成した。
【００４９】
（実施例２）
次に、分解ガスとしてＮＯxの代わりにＣＯ2 を用いて分解試験を行った。
【００５０】
図６（ｂ）〜（ｄ）に示すように、(2)から(5)の通電位置を種々変化させ、ＣＯ2 ガスの分解試験を行った。
【００５１】
ＣＯ2 ガス分解条件を以下に示す。
ガス組成：ＣＯ2 （１０％）＋Ｏ2 （１０％）／Ｎ2 （バランス）
ガス流量：２００ｃｃ／分
目的反応：ＣＯ2 の分解反応（ＣＯ2 →ＣＯ＋１／２Ｏ2 ）
電源電圧：２．５ｋＶ（ピーク値）
電源周波数：１０ｋＨｚ
誘電体材質：Ｚｒ2 Ｏ3 （接地側電極側へ配設）
誘電体厚さ：0.５ｍｍ
電極材質：ＳＵＳ
電極寸法：５０ｍｍ×２０ｍｍ（長手方向がガス流れ方向）
放電間隔：0.５ｍｍ
【００５２】
この結果を表２及び図９に示す。
【００５３】
【表２】
0004020566.tif 000003
【００５４】
表２及び図９に示すように、(2)の同位置オフセットａ＝２０ｍｍの場合には、ＣＯ2 分解率が３５．３％であり、出口ＮＯx濃度は０ｐｐｍであった。また、(3)の上流側オフセットの場合には、図８の電界強度分布に示すように、電界強度が同位置オフセットより低くなり、ＣＯ2 分解率が２６．５％であり、出口ＮＯx濃度が０ｐｐｍであった。また、(4)の異なる位置の場合には、ＣＯ2 分解率が３．２％であり、出口濃度が０ｐｐｍであり、分解率は１００％であった。一方、(5)の同位置で中心（ａ＝０ｍｍ）の場合には、ＣＯ2 分解率が３９．７％であり、出口ＮＯx濃度が２２０ｐｐｍであった。
【００５５】
このように、同位置でオフセットした場合には、前流側でＮＯxが生成するものの、下流側の低電界部で分解され、総反応としてはＣＯ2 の分解反応のみとなり、目的反応が高効率かつ選択的に達成することができる。
【００５６】
一方、参考実施形態のように、異なる位置とする場合には、高電界強度部が存在せず、目的反応であるＣＯ2 分解反応がほとんど進行しなかった。
【００５７】
また、電極中心の場合では生成したＮＯxが下流の低電界部で分解しきれず、ＮＯxが残留してしまった。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、高電圧を通電する位置を流れ方向の中心から上流側へオフセットさせることにより、電極間の電界強度分布を上流側で高密度のプラズマが存在するように変化させ、これにより、上流側で高エネルギーを要するガスを反応させると共に下流側で低エネルギーで十分なガスを反応させて、高効率及び高選択的なガス改質が可能となるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  参考実施形態のプラズマ反応容器の概略図である。
【図２】図１の装置の電界強度分布図である。
【図３】  第１の実施の形態のプラズマ反応容器の概略図である。
【図４】図３の装置の電界強度分布図である。
【図５】実施例に用いた試験装置の概略図である。
【図６】実施例に用いた通電位置を変化させた反応容器の概略図である。
【図７】実施例１の結果を示し、印加位置とＮＯxガス分解率との関係図である。
【図８】図６（ｃ）の装置の電界強度分布図である。
【図９】実施例２の結果を示し、印加位置とＣＯ2 ガス分解率との関係図である。
【図１０】従来技術にかかる反応容器の概略図である。
【符号の説明】
１１Ａ  第１の金属製平板型電極
１１Ｂ  第２の金属製平板型電極
１２  誘電体
１３  放電空間
１４  電源ユニット
１５  ガス
【図１】
0004020566.tif 000004
【図２】
0004020566.tif 000005
【図３】
0004020566.tif 000006
【図４】
0004020566.tif 000007
【図５】
0004020566.tif 000008
【図６】
0004020566.tif 000009
【図７】
0004020566.tif 000010
【図８】
0004020566.tif 000011
【図９】
0004020566.tif 000012
【図１０】
0004020566.tif 000013