(57)【要約】【課題】高エネルギー効率で酸素原子を生成可能な酸素原子生成装置及び酸素原子生成方法を提供する。【解決手段】パルス電源とパルス電源に接続された放電プラズマリアクタとを備え、時間間隔30μs以下において4〜10回のパルス時間幅100 ns以下のパルス放電プラズマを連続的に、かつ、2回目以降の各パルス放電プラズマ毎に、直前に発生した放電プラズマ領域に70%以上含まれるように、パルス放電プラズマを発生させることを特徴とする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス電源とパルス電源に接続された放電プラズマリアクタとを備え、前記パルス電源は、時間間隔30μs以下において4〜10回のパルス時間幅100 ns以下の放電用パルスを発生させるものであり、前記放電プラズマリアクタは、2回目以降の各パルス毎に、直前パルスにより発生した放電プラズマ領域に70%以上含まれるように、パルス放電プラズマを発生させるものであることを特徴とする酸素原子生成装置。
【請求項２】
前記パルス電源は、第１の時間及び第２の時間のあいだ、4〜10回連続的にパルス時間幅100 ns以下の放電用パルスを発生させ、第１の時間と第２の時間との間隔を、パルス放電プラズマがスパーク放電へ移行しない、0.5〜2 msとしたものであることを特徴とする請求項１に記載の酸素原子生成装置。
【請求項３】
前記時間間隔を5μs以内としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の酸素原子生成装置。
【請求項４】
前記放電リアクタに設けられた電極は、少なくとも片方は絶縁体に金属電極が埋め込まれた構造を有し、埋め込まれた金属電極は直径0.5〜2mmであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の酸素原子生成装置。
【請求項５】
前記放電リアクタに設けられた対向する一対の電極の各々は複数の金属電極を有し、前記複数の金属電極は、相互間の距離が2〜6 mmに配置されたものである請求項１〜３のいずれか１項に記載の酸素原子生成装置。
【請求項６】
パルス電源とパルス電源に接続された放電プラズマリアクタとを備え、時間間隔30μs以下において4〜10回のパルス時間幅100 ns以下のパルス放電プラズマを連続的に、かつ、2回目以降の各パルス放電プラズマ毎に、直前に発生した放電プラズマ領域に70%以上含まれるように、パルス放電プラズマを発生させることを特徴とする酸素原子生成方法。
【請求項７】
第１の時間及び第２の時間のあいだ、4〜10回連続的にパルス時間幅100 ns以下のパルス放電プラズマを発生させ、第１の時間と第２の時間との間隔を、パルス放電プラズマがスパーク放電へ移行しない、0.5〜2 msとすることを特徴とする請求項６に記載の酸素原子生成方法。
【請求項８】
前記時間間隔が5μs以内であることを特徴とする請求項６又は７に記載の酸素原子生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素原子生成装置及び酸素原子生成方法に関し、より詳しくは、高エネルギー効率で酸素原子を生成できる酸素原子生成装置及び酸素原子生成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、酸素原子は放電プラズマ技術及び電子ビーム技術等を用い生成されてきた。上記技術により生成された酸素原子はオゾナイザー、空気清浄器、滅菌装置をはじめ種々の分野で応用されている。これまでの研究から、酸素原子は放電プラズマ中において主に電子と酸素分子との衝突解離において生成されることが分かっている。この際の解離断面積は酸素分子の振動エネルギー（振動温度）が高いほど大きいことが知られている。また放電プラズマ直後において酸素分子の振動温度は1000 K以上であり、時間と共に低下していくことが報告されている。（例えば、非特許文献１を参照。）
【０００３】
従来の酸素原子生成方法の効率化技術としては、電圧波形の制御、放電周波数の制御、ガス圧の制御、放電リアクタ（電極形状・電極配置）等の最適化が挙げられる。
【０００４】
放電周波数を最適化するケースでは、両電極に金属を用い、ストリーマ放電からスパーク放電へ移行しないように、使用放電周波数は最大でも数ｋＨｚに制限して最適化されたものがある。このときの放電パルス時間間隔は数100μs（マイクロ秒）である。
【０００５】
また放電リアクタの最適化の一例としては、高周波印加電極面上に針状の先端部の断面積の小さい凸部と、この周辺より大きい断面積を有する凸部を多数形成した電極板を用い、放電プラズマ生成の低電力化を行っている（例えば、特許文献１を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開2004-14494号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】R. Ono、他1名、「Measurement of vibrationally excited O2(v = 6) in the afterglow of pulsed positive corona discharge」、PLASMA SOURCES SCIENCE AND TECHNOLOGY、（米国）、2009年、第18巻、p. 035006
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のような効率化技術について本発明者は独自に検討を加えたが、いずれの手法も酸素分子振動エネルギーが効率的に酸素原子生成に使用されないといった問題点があり、酸素原子生成効率の大幅な向上が困難であることを認識した。
すなわち、上述の放電周波数を最適化するものでは、パルス時間間隔が長く、二回目の放電プラズマ発生時には酸素分子の振動エネルギーが低下しているため、効率的な酸素原子の生成が行えなかった。
また、上述の放電リアクタを最適化した例では、放電プラズマが各電極でランダムに発生し、各電極間で放電プラズマが直線的に進展することが困難であった。このような放電プラズマでは放電プラズマによって生成された酸素分子振動エネルギーが利用できず、酸素原子の効率的な生成が困難であった。
【０００９】
本発明は、このような従来技術やそれらの検討結果を鑑みて成されたものであり、本発明の目的は、酸素原子の効率的な生成方法及び生成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は放電プラズマ直後の酸素分子の振動温度が高い状態で電子を衝突させ、エネルギー効率よく酸素原子を生成する。このためには放電プラズマ直後の酸素分子の振動温度が高い状態で１回目（乃至任意回目）の放電プラズマが進展した領域を、２回目（乃至次回目）の放電プラズマが効率よく進展する必要がある。
【００１１】
本発明に係る酸素原子生成装置は、パルス電源とパルス電源に接続された放電プラズマリアクタとを備え、時間間隔30μs以下において4〜10回のパルス時間幅100 ns（ナノ秒）以下のパルス放電プラズマを連続的に、かつ、2回目以降の各パルス放電プラズマ毎に、直前に発生した放電プラズマ領域に70%以上含まれるように、パルス放電プラズマを発生させる。これにより、パルス放電プラズマ直後の酸素分子振動エネルギーを酸素原子生成に効率的に利用し、酸素原子生成効率の向上を行う。
【００１２】
この酸素原子生成装置は、第１の時間及び第２の時間のあいだ、4〜10回連続的にパルス時間幅100 ns以下のパルス放電プラズマを発生させ、第１の時間と第２の時間との間隔は、パルス放電プラズマがスパーク放電へ移行しない、0.5〜2ms（ミリ秒）程度が好ましい。断続的にパルス放電プラズマを発生させることで酸素分子振動エネルギーの減衰を極力防止するとともに、所定の時間放電を停止することで機器等の故障の原因となるスパーク放電を防止でき、無用なガス温度上昇を抑えることが出来る。
【００１３】
本発明の放電リアクタに設けられた電極は、少なくとも片方は絶縁体に金属電極が埋め込まれた構造であることが好ましい。絶縁体材料はセラミック及びプラスチック等の樹脂が好ましい。金属電極材料はステンレス、銅等の導電率の高い金属が好ましい。埋め込まれた金属電極は直径0.5〜2 mm程度の円柱状であることが好ましい。電極の先端は平坦又は半球状であるとよい。
【００１４】
また、前記放電リアクタに設けられた両側の電極は複数の金属電極を有し、この複数の金属電極は、相互間の距離が2〜6 mm程度で配置されたものであることが好ましい。また、その配置は、四方〔一対の電極間の距離方向（ｚ方向）に垂直なｘ方向、及び、該ｘ方向と該ｚ方向に直角なｙ方向〕に限らず、隣接する金属電極が等距離、等間隔で複数配置されていてもよい。例えば隣接する3個の金属電極が平面形状で正三角形を形成するように配置することなどが挙げられる。複数の金属電極の個数は、通常5〜200個、好ましくは20〜150個、より好ましくは70〜120個である。複数の金属電極は、電極板を構成する絶縁体中に埋め込まれても良く、その場合、電極板内の全ての金属電極は、電極板内で相互に導電接続されていても良い。
このような複数の金属電極の配置により、隣接する金属電極からの電界の影響をうけ、パルス放電プラズマ進展領域が電極ギャップ間で直線状に進展し、毎度直前に発生した放電プラズマ領域に70%以上含まれるようにすることを容易化できる。
直前に発生した放電プラズマ領域に70%以上含まれるパルス放電プラズマが発生したか否かの判定は、隣接する電極を周囲に持つある一つの金属電極において、高感度カメラで撮影した一回目の放電プラズマ領域に二回目の放電プラズマ領域が70%以上含まれるか否かにより行う。ここで放電プラズマ領域は、放電プラズマ発光強度が最大値の5%以上の値をとる発光領域とする。一つの金属電極において判定するのは、隣接する電極を周囲に持つその他の金属電極においても、同様の結果が得られることが容易に予測されるためである。
【００１５】
本発明に係る酸素原子生成方法は、パルス電源とパルス電源に接続された放電プラズマリアクタとを備え、時間間隔30μs以下において4〜10回のパルス時間幅100 ns以下のパルス放電プラズマを連続的に、かつ、2回目以降の各パルス放電プラズマ毎に、直前に発生した放電プラズマ領域に70%以上含まれるように、パルス放電プラズマを発生させる。これにより、パルス放電プラズマ直後の酸素分子振動エネルギーを酸素原子生成に効率的に利用し、酸素原子生成効率の向上を行う。
【００１６】
また、酸素原子生成装置のパルス電源は、第１の時間及び第２の時間のあいだ、4〜10回連続的にパルス時間幅100 ns以下の放電用パルスを発生させ、第１の時間と第２の時間との間隔を、パルス放電プラズマがスパーク放電へ移行しない、0.5〜2ms程度としたものであることが好ましい。断続的にパルス放電プラズマを発生させることで酸素分子振動エネルギーの減衰を極力防止するとともに、所定の時間放電を停止することで機器等の故障の原因となるスパーク放電を防止でき、無用なガス温度上昇を抑えることが出来る。
【００１７】
上述のとおり本発明に係る酸素原子生成装置や酸素原子生成方法によれば、パルス放電プラズマ直後の酸素分子振動エネルギーを酸素原子生成に効率的に利用することができる。これにより、効率的な酸素原子の生成が可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、パルス放電プラズマ直後の酸素分子振動エネルギーを酸素原子生成に効率的に利用することが可能となり、効率的な酸素原子生成が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１の実施形態に係る、酸素原子生成装置の概略図である。
【図２】第１の実施形態に係る、パルス電源電圧の経時的な概念図である。
【図３】第１の実施形態に係る、放電リアクタの電極形状を表す概略図である。
【図４】パルス放電プラズマの撮影像例である。左図は第１の実施形態に係る撮影像を、右図は比較例の撮影像を、それぞれ示す。
【図５】第１の実施形態に係る、放電パルス時間間隔と酸素原子生成効率の相関図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
ここでは、パルス放電プラズマは、背景ガスと称される特定の分子レベルの物質に対して行われる。背景ガスに対して放電プラズマがおこなわれることによって、背景ガス中の分子は、電子・振動・回転準位が励起される。またイオン化や解離反応もおこる。背景ガスの酸素濃度は10-100％が好ましい。
【００２１】
以下、本発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、第１の実施形態に係る酸素原子生成装置の概略図である。酸素原子生成装置は、パルス電源１０と放電リアクタ１２を備える。パルス電源１０は、パルス時間幅100 ns以下のパルス高電圧を発生させる。放電リアクタ１２は、パルス電源１０によって印加される高電圧を用いて、パルス放電プラズマを発生させる。
【００２２】
図２は、第１の実施形態に係るパルス電源電圧の経時的な変化を表す概念図である。パルス電源１０（図１参照）は、第１パルス高電圧２０を発生させる。そして、第１パルス高電圧２０の発生からＴ１後に、第２パルス高電圧２２を発生させる。以下、直前のパルス高電圧の発生からＴ１後に、次回のパルス高電圧を発生させ、そのようなパルス高電圧の発生を合計で4〜10回行う。Ｔ１は30μs以下が好ましい。Ｔ１の下限値は、限定するものではないが、通常、5μs程度（好ましくは10μs程度）である。
【００２３】
ここで、バースト区間Ａ（第１の時間）及びバースト区間Ｂ（第１の時間）において、印加電圧はバースト状態（断続的）となっている。すなわち、バースト区間Ａでは、第１パルス高電圧２０からＴ１毎に4〜10回パルス時間幅100 ns以下の電圧が印加される。同様に、バースト区間Ｂにおいても、バースト区間Ｂの開始時点からＴ１毎に4〜10回パルス時間幅100 ns以下の電圧が印加される。また、バースト区間Ａとバースト区間Ｂとの間隔は、時間間隔Ｔ２が設けられる。Ｔ２は0.5〜2msが好ましい。これによりスパーク放電発生を防止、及びガス加熱を軽減する。パルス時間幅の下限は、限定するものではないが、通常5ns程度である。
【００２４】
このように、本実施形態の酸素原子生成装置では、パルス高電圧をＴ１という一般的に短い時間間隔で発生させる。これにより、放電リアクタ１２（図１参照）からのパルス放電プラズマ時間間隔は、Ｔ１毎となる。換言すれば、１回目の放電と２回目のパルス放電プラズマとの間隔がＴ１となる。
【００２５】
一度生成された酸素分子振動エネルギーは、時間と共に減少する。例えば、従来の100μsの放電間隔の場合、２回目にパルス放電プラズマが発生したときには、１回目のパルス放電プラズマで生成された酸素分子振動エネルギーは大幅に減衰している。すなわち、本実施形態のように、短いパルス時間間隔であれば、１回目のパルス放電プラズマで生成された酸素分子振動エネルギーが、高いエネルギーを保持したまま残存している。したがって、放電用パルスの時間間隔が短くなることによって、直前のパルス放電プラズマによって生成された酸素分子振動エネルギーを効率的に利用することができる。
【００２６】
図３は、本発明の第１の実施形態に係る、放電リアクタ１２（図１参照）に設けられた電極板３０の概略図である。電極板３０は、絶縁体に金属電極が埋め込まれた構造を有する。埋め込まれた金属電極は直径0.5〜2mm程度であることが好ましい。四方の電極間距離（隣接する金属電極の中心間の距離）Ｗ１、Ｗ２は2〜6 mm以下であることが好ましい。埋め込まれた金属電極数は100個程度が好ましい。上記電極板を二枚用い電極板相互間距離Ｚで対向させて使用することが好ましい。この際電極板相互間距離Ｚは5-8 mm程度が好ましい。また、電極板を少なくとも一枚使用し、対極として金属製の針等を使用してもよい。
【００２７】
どちらか一方の電極板の金属電極をパルス電源に接続し、もう一方の電極板の金属電極を接地し、高電圧パルスが印加されると、電極間においてパルス放電プラズマが発生する。
【００２８】
上記のように、放電プラズマのパルス時間間隔をＴ１とし、１回目のパルス放電プラズマが進展した領域を２回目のパルス放電プラズマが効率よく進展するような電極形態３０を用いることで、パルス放電プラズマ発生直後の酸素分子振動エネルギーを酸素原子生成に効率的に利用し、酸素原子生成効率の向上が可能となる。
【実施例】
【００２９】
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されない。
【００３０】
［実施例１］
図３に概略を示すような一対の電極板を使用し、一方の電極板の各金属電極が他方の電極板の対応する金属電極にｚ方向で対向するように、一対の電極板を対向配置して、下記条件にてパルス放電プラズマの撮影を行った。
印加電圧： +13 kV
印加電圧パルス幅：100 ns
パルス時間間隔Ｔ１：30 μs
電極板相互間距離（ｚ方向距離）：8 mm
背景ガス：酸素20%/窒素80%
金属電極直径：0.7 mm
金属電極先端形状：フラット
金属電極相互間の距離Ｗ１、Ｗ２：共に4 mm
絶縁体の種類：樹脂
埋め込み深さ：10 mm
撮影にはバンドパスフィルタ（336±3 nm）を装着したＩＣＣＤカメラ（Andor iStar 334T）を使用した。ゲート時間は500 nsとした。計測電極は隣接する電極を周囲に持つある一つの金属電極とした。図４左に計測点Ａ及び計測点Ａから計測位置を90度変え撮影を行った結果の一例を示す。両計測点において本装置においては１回目と２回目のパルス放電プラズマの発生領域が80%以上一致していることが確認できる。一方、図４右に示した一般的な針‐平板電極を用いたパルス放電プラズマでは、放電プラズマの枝分かれが著しくパルス放電プラズマの発生領域を一致させることが困難であることが分かる。
【００３１】
［実施例２］
図３に概略を示すような一対の電極板を上記実施例１と同様に対向配置し、下記条件にて酸素原子生成効率の計測を行った。
印加電圧： +13 kV
印加電圧パルス幅：100 ns
電極板相互間距離（ｚ方向距離）：8 mm
背景ガス：酸素20%/窒素80%
金属電極直径：0.7 mm
金属電極先端形状：フラット
金属電極相互間の距離Ｗ１、Ｗ２：共に4 mm
絶縁体の種類：樹脂
埋め込み深さ：10 mm
酸素原子生成量の計測には二光子吸収レーザー誘起蛍光法を用いた。色素レーザー（Lambdaptysik, Scanmate）の倍波によって得られた波長226 nmを酸素原子の励起光に用い、845 nmの蛍光をバンドバスフィルタ（845±5 nm）を装着したＩＣＣＤカメラ（Andor iStar 334T）により計測した。レーザー光はシリンドリカルレンズ（f = 200 mm）を用い放電リアクタ中心部へ照射した。計測タイミングは計測対象となる放電プラズマの発生後1μsとした。図５中黒丸プロットはＴ１を変化させた場合の酸素原子生成効率の相対値を示している。ここで酸素原子生成効率は酸素原子生成量/パルス放電プラズマエネルギーとして求めた。パルス放電プラズマエネルギーは高電圧プローブ（Tektronix, P6015A）及びロゴウスキーコイル（Pearson Electronics, Model2878）を用い計測した。相対値の算出はパルス時間間隔1 s時の酸素原子生成効率を基準とした。図５からＴ１が短いほど酸素原子生成効率が向上することが見て取れる。一方、上記電極板の替わりに、針‐平板電極（平版面積100cm2、針と平板との距離8 mm）を使用した以外は、上記実施例と同様にして計測した場合、Ｔ１に関わらず酸素原子生成効率の向上は見られなかった。これらの結果から、本発明のように毎度直前に発生した放電プラズマ領域に70%以上含まれるように、パルス放電プラズマを発生させなければ酸素原子生成効率の向上は見られないことが分かった。また図５中白四角プロットは一方の電極板の替わりに各金属電極にz方向で対向する金属電極と同数の針状電極を用いた時のＴ１を変化させた場合の酸素原子生成効率の相対値を示している。結果から一方の電極が針状電極であっても酸素原子生成効率の向上が確認された。またこの時、１回目と２回目のパルス放電プラズマの発生領域が80%以上一致していることを確認している。
【符号の説明】
【００３２】
１０  パルス電源
１２  放電リアクタ
２０〜２６  パルス高電圧（放電用パルス）
３０  電極板
Ａ  バースト区間（第１の時間）
Ｂ  バースト区間（第２の時間）
Ｔ１  パルス時間間隔
Ｔ２  バースト区間の時間間隔
Ｗ１  金属電極間距離（ｘ方向）
Ｗ２  金属電極間距離（ｘ方向に直角なｙ方向）
Ｚ  電極板相互間距離（ｚ方向）
【図１】
2017036194.tif 000003
【図２】
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【図３】
2017036194.tif 000005
【図４】
2017036194.tif 000006
【図５】
2017036194.tif 000007