(57)【要約】      （修正有）【課題】プラズマ流のガス温度が低く、消費電力が小さいプラズマ発生装置およびプラズマ発生方法を提供する。【解決手段】プラズマトーチ１１は、互いに間隔を開けて設けられた第１電極２１と第２電極２３と、第１電極２１と第２電極２３との間に設けられた誘電体２２とを有する。第１電極２１は、円筒状を成し、接地される。第１電極２１は、中心軸に沿って厚みを貫通して設けられた複数のスリット２１ａを有する。円筒状の誘電体２２を第１電極２１の内面に沿って設ける。第２電極２３を誘電体２２の内部に設ける。空気供給部は、第１電極２１と第２電極２３との間に空気を供給する。電源は、誘電体バリア放電を発生させて空気供給部から供給された空気をプラズマ化可能に、第１電極２１と第２電極２３との間に電圧を印加する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマトーチと空気供給部と電源とを有し、
前記プラズマトーチは互いに間隔を開けて設けられた第１電極と第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた誘電体とを有し、
前記空気供給部は前記第１電極と前記第２電極との間に空気を供給するよう設けられ、
前記電源は誘電体バリア放電を発生させて前記空気供給部から供給された空気をプラズマ化可能に、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加するよう設けられていることを、
特徴とするプラズマ発生装置。
【請求項２】
前記第１電極は円筒状を成し、接地されており、
前記誘電体は円筒状を成し、前記第１電極の内面に沿って設けられ、
前記第２電極は前記誘電体の内部に設けられていることを、
特徴とする請求項１記載のプラズマ発生装置。
【請求項３】
前記第１電極は、中心軸に沿って厚みを貫通して設けられた複数のスリットを有していることを、特徴とする請求項２記載のプラズマ発生装置。
【請求項４】
前記プラズマトーチは、前記誘電体の先端が前記第１電極の先端および前記第２電極の先端よりもプラズマ噴出方向に突出していることを、特徴とする請求項２または３記載のプラズマ発生装置。
【請求項５】
前記プラズマトーチは、前記第１電極および前記第２電極のうち少なくともいずれか一つが着脱可能に設けられていることを、特徴とする請求項１、２、３または４記載のプラズマ発生装置。
【請求項６】
互いに間隔を開けて設けられ、間に誘電体を有するプラズマトーチの第１電極と第２電極との間に空気を供給し、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加して誘電体バリア放電を発生させ、前記空気をプラズマ化することを、特徴とするプラズマ発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ発生装置およびプラズマ発生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車産業では、環境問題への対策や燃料消費率の改善が強く求められている。この背景として、世界規模でその影響が懸念されている地球温暖化問題が挙げられる。また、近年経済成長著しい中国をはじめとする東アジア地域のエネルギー需要の増加と、自動車の排気ガスによる大気汚染の増加が、いずれも深刻な問題となっている。また、原油価格の高騰により燃料となるガソリンの価格が上昇するなど、消費者の側でも燃料消費率への関心が高まっている。
【０００３】
これらの問題に対し、燃料電池自動車などの次世代型の自動車が解決案として挙げられるが、それらは未だに普及しておらず、既存の内燃機関の燃焼効率改善が主流となっている。その代表的な方法として希薄燃焼が挙げられ、更なる希薄燃焼技術として高化学反応性を有するプラズマを用いた着火および燃焼促進が期待されている。
【０００４】
これまでの研究により、空気プラズマ流に含まれるO，NO等の各種ラジカルが、燃焼促進に寄与することが明らかとなっている（例えば、非特許文献１または２参照）。また、O3の吸気への添加により、天然ガスを用いた内燃機関の燃焼効率が増加することが報告されている（例えば、非特許文献３参照）。
【０００５】
従来、このような空気プラズマ流を発生させることのできるプラズマ発生装置として、電極に常時一定の電圧を印可してアーク放電を発生させるアーク放電トーチがある（例えば、特許文献１、２または３参照）。しかし、このアーク放電トーチでは、プラズマ流のガス温度が１００００Ｋ程度と高温であり、複雑な冷却系統を必要とするため、装置が大型になるという問題があった。また、消費電力も１〜５ｋＷと大きいという問題もあった。
【０００６】
このような問題を解決するために、ＲＦ電源を用いた大気圧プラズマ放電生成装置が開発されている（例えば、特許文献４参照）。ＲＦ電源を用いた装置によれば、プラズマ流のガス温度を５００Ｋ程度にまで下げることができ、消費電力も３００Ｗ程度まで小さくすることができる。
【０００７】
【非特許文献１】I. M. Vince，C. Vovelle and F. J. Weinberg，“The Effect of Plasma Jet Ignition on Flame Propagation and Sooting at the Rich Limit of Flammability”，Combustion and Flame，1984，Vol.56，p.105-112
【非特許文献２】S. Pancheshnyi，D. A. Lacoste，A. Bourdon and C. O. Laux，“Ignition of Propane − Air Mixtures by Repetitively Pulsed Nanosecond Gas Discharges”，Plasma Chemistry，2005，p.1025-1023
【非特許文献３】モハンマディ，駒田，川那辺，石山，塩野著，“オゾン吸気による天然ガス予混合圧縮自着火燃焼の改善”，日本機械学会講演論文集No.054-1，2005，p.328-329
【特許文献１】特開２００１−７１１４７号公報
【特許文献２】特開平５−２２６０９６号公報
【特許文献３】特開平１０−３１４９５２号公報
【特許文献４】特表２００１−５０８９５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献４に記載のＲＦ電源を用いたプラズマ発生装置により発生させたプラズマ流を燃焼促進等に利用するには、ガス温度５００Ｋ、消費電力３００Ｗでは実用的ではなく、実用に供するためには、さらに低温かつ低消費電力である必要があるという課題があった。
【０００９】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、プラズマ流のガス温度が低く、消費電力が小さいプラズマ発生装置およびプラズマ発生方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明に係るプラズマ発生装置は、プラズマトーチと空気供給部と電源とを有し、前記プラズマトーチは互いに間隔を開けて設けられた第１電極と第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた誘電体とを有し、前記空気供給部は前記第１電極と前記第２電極との間に空気を供給するよう設けられ、前記電源は誘電体バリア放電を発生させて前記空気供給部から供給された空気をプラズマ化可能に、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加するよう設けられていることを、特徴とする。
【００１１】
本発明に係るプラズマ発生方法は、互いに間隔を開けて設けられ、間に誘電体を有するプラズマトーチの第１電極と第２電極との間に空気を供給し、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加して誘電体バリア放電を発生させ、前記空気をプラズマ化することを、特徴とする。
【００１２】
本発明に係るプラズマ発生装置およびプラズマ発生方法は、第１電極と第２電極との間に交流電圧などの電圧を印加することにより、誘電体バリア放電を発生させることができる。誘電体バリア放電を発生させることにより、第１電極と第２電極との間に供給した空気をプラズマ化して、空気プラズマ流を発生させることができる。このとき、誘電体を含む電極系を一種のコンデンサとみなすことができるため、常にパルス的な放電を維持することにより、ジュール加熱を抑制することができ、発生するプラズマ流のガス温度を低く抑えることができる。このため、複雑な冷却構造が不要であり、装置の小型化が可能である。
【００１３】
また、誘電体により放電形態がアークに移行しにくく、第１電極および第２電極の損耗を防ぐことができる。このため、安定した放電が可能であり、安定してプラズマ流を発生させることができる。空気をプラズマ化することにより、オゾン、窒化酸化物、高反応性ラジカル等を生成することができ、燃焼促進や殺菌等に利用することができる。周波数または電圧を制御することにより、消費電力を調節可能であり、より小さい消費電力で空気プラズマ流を発生させることができる。
【００１４】
本発明に係るプラズマ発生装置で、前記第１電極は円筒状を成し、接地されており、前記誘電体は円筒状を成し、前記第１電極の内面に沿って設けられ、前記第２電極は前記誘電体の内部に設けられていることが好ましい。この場合、小型でありながら、電極面積を広くすることができる。また、第２電極は、棒状であることが好ましい。この場合、第１電極と第２電極との間に強電界が発生するため、円周方向に沿って膜状に一様なプラズマを発生させることができ、そのプラズマ体積を大きくすることができる。
【００１５】
本発明に係るプラズマ発生装置で、前記第１電極は、中心軸に沿って厚みを貫通して設けられた複数のスリットを有していることが好ましい。この場合、スリットの端部に電界が集中するため、電子衝突によるラジカル発生割合を高め、ラジカル生成量を増加させることができる。誘電体は、透明な石英管から成ることが好ましい。この場合、第１電極のスリットを通して、発生したプラズマを目視で確認することができる。
【００１６】
本発明に係るプラズマ発生装置で、前記プラズマトーチは、前記誘電体の先端が前記第１電極の先端および前記第２電極の先端よりもプラズマ噴出方向に突出していることが好ましい。この場合、第１電極と第２電極との間でアークが発生するのを防ぐ効果を高めることができる。また、第２電極と、プラズマ噴出方向にある他の金属等との間でアークが発生するのを防ぐこともできる。
【００１７】
本発明に係るプラズマ発生装置で、前記プラズマトーチは、前記第１電極および前記第２電極のうち少なくともいずれか一つが着脱可能に設けられていてもよい。この場合、異なるサイズの電極に交換することができ、電極面積や電極間距離の調整が容易である。例えば、電極間距離を狭めることにより、オゾン等の生成濃度を高めることができる。また、第１電極をスリットの大きさが異なる電極に交換することにより、電極面積を調整することができる。誘電体も、着脱可能であってもよい。また、第１電極、第２電極および誘電体は、取付位置を調整可能であってもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、プラズマ流のガス温度が低く、消費電力が小さいプラズマ発生装置およびプラズマ発生方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図１７は、本発明の実施の形態のプラズマ発生装置およびプラズマ発生方法を示している。
図１および図２に示すように、プラズマ発生装置１０は、プラズマトーチ１１と空気供給部１２と電源１３とを有している。
【００２０】
図２（ａ）に示すように、プラズマトーチ１１は、同軸型で、中心軸に対する回転体形状を成している。プラズマトーチ１１は、先端部１１ａの外径より、後端部１１ｂの外径の方がやや大きく、さらに後端部１１ｂの外径より、中間部１１ｃの外径の方が大きく形成されている。プラズマトーチ１１は、第１電極２１と誘電体２２と第２電極２３と接地端子２４と印加端子２５とガス導入部２６とを有している。
【００２１】
第１電極２１は、銅から成り、細長い円筒状を成している。第１電極２１は、プラズマトーチ１１の先端部１１ａに、中心軸がプラズマトーチ１１の長さ方向に沿うよう、着脱可能に取り付けられている。第１電極２１は、接地されている。図２（ｂ）に示すように、第１電極２１は、中心軸に沿って厚みを貫通して設けられた複数のスリット２１ａを有している。図２（ａ）に示すように、誘電体２２は、細長い円筒状の透明な石英管から成っている。誘電体２２は、外面が第１電極２１の内面に接するよう、第１電極２１の内面に沿って配置されている。誘電体２２は、第１電極２１と同軸で、プラズマトーチ１１の先端部１１ａに直脱可能に取り付けられている。
【００２２】
第２電極２３は、銅から成り、細長い丸棒状を成している。第２電極２３は、誘電体２２の内径より小さい外径を有し、誘電体２２の内面との間に間隔をあけて、誘電体２２の内部に配置されている。第２電極２３は、第１電極２１および誘電体２２と同軸で、プラズマトーチ１１の先端部１１ａに直脱可能に取り付けられている。プラズマトーチ１１は、誘電体２２の先端が、第１電極２１の先端および第２電極２３の先端よりもプラズマ噴出方向に突出するよう設けられている。
【００２３】
接地端子２４は、プラズマトーチ１１の中間部１１ｃの側面に、側方に突出するよう設けられている。接地端子２４は、第１電極２１に電気的に接続されている。印加端子２５は、プラズマトーチ１１の後端部１１ｂの後端面に設けられている。印加端子２５は、第２電極２３に電気的に接続されている。
【００２４】
ガス導入部２６は、中間部１１ｃの後端側に向いた面に突出して設けられたガス接続部２６ａと、ガス接続部２６ａの先端に設けられたガス供給口２６ｂと、誘電体２２と第２電極２３との間に連通して第２電極２３の取付位置付近に設けられたガス噴出口２６ｃと、ガス供給口２６ｂとガス噴出口２６ｃとを連通する連通路２６ｄとを有している。ガス導入部２６は、ガス供給口２６ｂから供給された空気を、連通路２６ｄからガス噴出口２６ｃを通して、誘電体２２と第２電極２３との間に供給可能になっている。
【００２５】
なお、具体的な一例では、第１電極２１は、外径が１１ｍｍ、内径が９．３ｍｍ、長さが８７ｍｍである。スリット２１ａは、１２本形成されており、幅が１ｍｍ、長さが３５ｍｍである。誘電体２２は、外径が９．３ｍｍ、内径が７．５ｍｍであり、先端が第１電極２１の先端より１０ｍｍ突出している。第２電極２３は、外径が５．０ｍｍであり、先端が誘電体２２の先端より２０ｍｍ引っ込んでいる。誘電体２２と第２電極２３との間隔は、１．２５ｍｍである。
【００２６】
図１に示すように、空気供給部１２は、圧縮空気が充填されたボンベ２７と、ボンベ２７が排出する空気の量を調整可能に設けられたフローコントローラ２８と、ボンベ２７とプラズマトーチ１１のガス接続部２６ａとを接続する供給管２９とを有している。空気供給部１２は、ボンベ２７から排出する空気の量をフローコントローラ２８により調整して、供給管２９からガス導入部２６を通して、誘電体２２と第２電極２３との間に空気を供給するようになっている。
【００２７】
図１に示すように、電源１３は、プラズマトーチ１１の接地端子２４および印加端子２５に接続され、第１電極２１および第２電極２３に電気的に接続されている。電源１３は、交直両用高圧アンプリファイア（トレックジャパン社製、製品名「Model 20/20c」）から成り、第１電極２１と第２電極２３との間に交流電圧を印加するようになっている。電源１３は、第１電極２１と第２電極２３との間に交流電圧を印加して誘電体バリア放電を発生させ、空気供給部１２から供給された空気をプラズマ化可能になっている。
【００２８】
本発明の実施の形態のプラズマ発生方法は、プラズマ発生装置１０により実施される。まず、空気供給部１２からプラズマトーチ１１の誘電体２２と第２電極２３との間、すなわち第１電極２１と第２電極２３との間に空気を供給する。電源１３により、第１電極２１と第２電極２３との間に交流電圧を印加して誘電体バリア放電を発生させる。これにより、第１電極２１と第２電極２３との間に供給された空気をプラズマ化して、空気プラズマ流を発生させることができる。
【００２９】
このとき、誘電体２２を含む電極系を一種のコンデンサとみなすことができるため、常にパルス的な放電を維持することにより、ジュール加熱を抑制することができ、発生するプラズマ流のガス温度を低く抑えることができる。このため、複雑な冷却構造が不要であり、装置の小型化が可能である。
【００３０】
また、誘電体２２により放電形態がアークに移行しにくく、第１電極２１および第２電極２３の損耗を防ぐことができる。このため、安定した放電が可能であり、安定してプラズマ流を発生させることができる。空気をプラズマ化することにより、オゾン、窒化酸化物、高反応性ラジカル等を生成することができ、燃焼促進や殺菌等に利用することができる。なお、自然界に多量に存在し、小さな消費電力で高濃度のオゾンを発生させることができ、発生したオゾンを加熱等により還元できるよう、作動ガスとして空気を使用している。周波数または電圧を制御することにより、消費電力を調節可能であり、より小さい消費電力で空気プラズマ流を発生させることができる。第１電極２１のスリット２１ａの端部に電界が集中するため、電子衝突によるラジカル発生割合を高め、ラジカル生成量を増加させることができる。
【００３１】
プラズマ発生装置１０は、第１電極２１および第２電極２３が同軸円筒型であるため、小型でありながら、電極面積を広くすることができる。また、第２電極２３が丸棒状であり、第１電極２１と第２電極２３との間に強電界が発生するため、円周方向に沿って膜状に一様なプラズマを発生させることができ、そのプラズマ体積を大きくすることができる。誘電体２２が透明な石英管から成るため、第１電極２１のスリット２１ａを通して、発生したプラズマを目視で確認することができる。
【００３２】
誘電体２２の先端が、第１電極２１の先端および第２電極２３の先端よりもプラズマ噴出方向に突出しているため、第１電極２１と第２電極２３との間でアークが発生するのを防ぐ効果を高めることができる。また、第２電極２３と、プラズマ噴出方向にある他の金属等との間でアークが発生するのを防ぐこともできる。第１電極２１または第２電極２３を異なるサイズの電極に交換することにより、電極面積や電極間距離の調整が容易である。例えば、電極間距離を狭めることにより、オゾン等の生成濃度を高めることができる。また、第１電極２１をスリット２１ａの大きさが異なる電極に交換することにより、電極面積を調整することができる。
【００３３】
なお、発生したオゾン、窒化酸化物、高反応性ラジカル等は、燃焼促進、殺菌、滅菌、消臭、漂白、酸化膜形成や窒化膜形成による表面改質などに使用することができる。
【００３４】
以下に、本発明の実施の形態のプラズマ発生装置１０およびプラズマ発生方法により生成した空気プラズマ流に対し、スペクトル分析、質量分析、オゾン濃度測定、二酸化窒素濃度測定、温度測定等の各測定を行い、周波数・印加電圧・ガス流量の各作動条件に対する、各種ラジカル生成量、ラジカル種の輸送特性および熱流動場の変化についての検討を行った。なお、図１に示すように、プラズマ発生装置１０は、真空ポンプ１が接続された圧力容器２の内部にプラズマトーチ１１が配置され、雰囲気圧力を調節可能になっているが、本実施の形態では、圧力容器２の内部は常に大気圧になっている。
【００３５】
［空気プラズマ流の発光状態］
電源１３による印加する交流電圧の周波数をｆ=1000Hz，空気供給部１２からの空気の供給量をＱ=6.0×10−３m３/minとし、電源１３による印加電圧Ｖを８ｋＶ〜１８ｋＶまで変化させたときの空気プラズマ流の様子を、スリット２１ａを通して観測した。その結果、印加電圧の増加に伴って、電極間の発光強度が増していると共に、空気プラズマ流の発光部分が下流へ伸張している様子が観測された。
【００３６】
また、ｆ=1000Hz，Ｖ=14kVとし、Ｑを１.0×10−３〜9.0×10−３ｍ３/minまで変化させたときの空気プラズマ流の様子も観測した。その結果、流量の増加による発光部分の伸張は殆ど確認されなかった。これは、流量の増加によって流速が増加し、作動ガスである空気が放電部で得る単位体積当りの電子エネルギーが減少した結果、励起状態に至らなくなったためであると考えられる。
【００３７】
［放電電力の測定］
Ｖ=14kV，Ｑ=6.0×10−３ｍ３/minの条件で放電を行ったときの印加電圧波形および放電電流波形を観測し、それぞれ図３および図４に示す。印加電圧および放電電流は、図１に示す、電源１３に接続されたオシロスコープ３（Tektronix社製、製品名「TDS3024B」）により観測した。図３および図４に示すように、入力波形は全てサイン波であるが、周波数の増加に伴って電圧・電流波形がいずれも歪な形状を示すことが確認された。これは、高周波数かつ高電圧の場合において、電圧がピークに達するまでに必要な時間に対して周波数が高すぎることから、電圧の立ち上がり応答が放電に追いつかなくなるためと考えられる。
【００３８】
図３および図４の波形から放電電力値を算出し、図５に示す。図５に示すように、放電電力は最大で70W程度と低電力であることが確認された。また、ｆ＝1500Hz以上の高周波数で放電を行った場合、14kV以上の高電圧において放電電力の増加量が減少することが確認された。これは、高周波数かつ高電圧の場合に、電圧の立ち上がり応答が放電に追いつかなくなることが原因と考えられる。
【００３９】
［空気プラズマ流の分光計測］
ｆ＝1000〜2000Hz，Ｖ＝10〜18ｋＶ，Ｑ=6.0×10−３ｍ３/minの条件で放電を行ったときの放電部に対して、プラズマトーチ１１の下方向から上向きに分光計測を行い、その結果の一例を図６に示す。分光計測は、図１に示す超高感度瞬間マルチ測光システム４（大塚電子社製、製品名「MPCD-7000」）で行った。分光計測は、プラズマトーチ１１の下流の、誘電体２２の先端のプラズマ噴射口２２ａから１５mmの位置で行い、330〜1100mmの波長範囲を0.5mm間隔で解析した。
【００４０】
図６に示すように、放射強度のピークはいずれもN2の各波長（337.1，357.6，380.5，405.9，762.0，888.1nm）に対応しており、N2の強い発光が確認された。また、放射強度は、周波数および印加電圧の増加に伴って強くなっていることが確認された。一方、電極として用いた銅の波長では発光が観測されなかった。これは、熱流動場や電子衝突による電極の損耗が起こらないことを示しており、誘電体バリア放電の利点を表した結果といえる。なお、第２電極２３を銅から真鍮やアルミニウムに変えた場合の放射強度の比較も行ったが、電極材料による放射強度の変化は殆ど認められなかった。また、真鍮やアルミニウムの波長での発光も観測されなかった。
【００４１】
［空気プラズマ流の質量分析］
ｆ=1000Hz，Ｖ=14kV，Ｑ=6.0×10−３ｍ３/minで放電を行ったときの、空気プラズマ流の質量分析を行い、その結果を図７に示す。質量分析は、図１に示す質量分析計５（キャノンアネルバ社製、製品名「M-200GA-DM」）で行った。質量分析は、プラズマトーチ１１の下流の、プラズマ噴射口２２ａから200mmの位置で行い、酸素原子Ｏ、一酸化窒素ＮＯ、オゾンO3、二酸化窒素NO2を計測対象とした。
【００４２】
図７に示すように、O3の大量の増加、NOおよびNO2の少量の増加が、それぞれ確認された。一方、燃焼促進に寄与するとされるOラジカルについては、その増減が確認されなかった。これは、生成されたOラジカルが、極めて短い時間で消滅し、O3やNO，NO2が生成されたためと考えられる。なお、図７では、放電開始前（off）の空気中に存在する各種ラジカルの示す電流値（Ioff）を１として、放電開始後（on）の空気プラズマ流中の各成分が示す電流値(Ion)を相対値に換算して示している。
【００４３】
周波数ｆ、印加電圧Ｖを変化させたときの、O3の質量分析結果を図８に、NOおよびNO2の質量分析結果を図９に示す。図８および図９に示すように、周波数ｆ、印加電圧Ｖの増加に対し、各種ラジカルの電流値の比はほぼ直線的に増加することが確認された。この結果は、生成されるラジカルの量が、周波数ｆおよび印加電圧Ｖに対してほぼ直線的に増加することを示している。このことから、本発明の実施の形態のプラズマ発生装置１０およびプラズマ発生方法によれば、各種ラジカルの生成量を周波数ｆまたは印加電圧Ｖにより容易に制御できるといえる。但し、1500Hz以上の高周波数においては、電流値の比はほぼ一定値となった。これは、高周波数かつ高電圧の場合に、電圧の立ち上がり応答が放電に追いつかなくなることが原因となり、ラジカル生成量が飽和したためであると考えられる。
【００４４】
また、図９（ａ）に示すように、周波数ｆを変化させたとき、NOおよびNO2の傾きがほぼ等しいのに対し、図９（ｂ）に示すように、印加電圧Ｖを変化させたとき、NO2の傾きがNOの傾きよりも大きくなっており、NO2の電圧変化への依存性が強いことが確認された。これは、誘電体バリア放電において、各ラジカル種が、周波数ｆ、印加電圧Ｖに対して全て同じ割合で生成されているわけではないことを示している。
【００４５】
［空気プラズマ流中のオゾン濃度測定］
周波数ｆ、印加電圧Ｖを変化させ、Ｑ=6.0×10−３ｍ３/minで放電を行ったときの、空気プラズマ流中のO3の濃度を測定し、その結果を図１０に示す。オゾンO3の濃度測定は、図１に示すオゾン濃度計６（セキエレクトロニクス社製、製品名「SOZ-3300」）で行った。オゾンO3の濃度測定は、プラズマトーチ１１のプラズマ噴射口２２ａにテフロン（登録商標）チューブを接続し、生成された空気プラズマ流をプラズマ噴射口２２ａから500mm下流の位置でサンプリングし、放電開始から20秒後のオゾン濃度を測定して行った。
【００４６】
図１０に示すように、例えば、ｆ=1000Hz，Ｖ=14kV，Ｑ=6.0×10−３ｍ３/minで放電を行った場合、O3の濃度は1103ppmと高濃度を示している。O3の濃度は、周波数ｆおよび印加電圧Ｖに対して直線的に増加しており、質量分析計の結果を裏付けるものとなった。このことからも、本発明の実施の形態のプラズマ発生装置１０およびプラズマ発生方法は、O3の生成量に対する制御性に優れているといえる。また、周波数がｆ=1000Hzより高く、かつ印加電圧がＶ=14kV以上の場合、オゾン濃度が1500〜1600ppm程度で飽和することが確認された。
【００４７】
Ｑを変化させ、Ｖ=14kV，ｆ=100，500，1000，1500，2000Hzの各周波数で放電を行ったときの、空気プラズマ流中のO3の濃度を測定、その結果を図１１に示す。図１１に示すように、500Hz以下の低周波数の場合、O3の濃度は流量の増加に対して次第に減少することが確認された。これは、流量の増加により、空気が放電部で得る単位体積当りのエネルギーが減少したためであると考えられる。また、1000Hz以上で放電を行った場合には、Ｑ=1.0×10−３ｍ３/minでの濃度が小さく、Ｑ=3.0×10−３ｍ３/min付近で濃度が極大値を示し、その後減少することが確認された。
【００４８】
なお、第２電極２３を銅から真鍮やアルミニウムに変えた場合の、オゾンO3の濃度を測定したが、銅と真鍮との濃度差は１％以下と小さく、銅とアルミニウムとの濃度差も最大で３％程度と小さかった。この結果から、電極材料がラジカル生成量に与える影響は小さいといえる。
【００４９】
［空気プラズマ流中の二酸化窒素濃度測定］
周波数ｆ、印加電圧Ｖを変化させ、Ｑ=6.0×10−３ｍ３/minで放電を行ったときの、空気プラズマ流中の二酸化窒素NO2の濃度を測定し、その結果を図１２に示す。二酸化窒素NO2の濃度測定は、図１に示す窒素酸化物（ＮＯＸ）分析計７（ホダカ社製、製品名「HT-1200」）で行った。二酸化窒素NO2の濃度測定は、プラズマトーチ１１のプラズマ噴射口２２ａにテフロン（登録商標）チューブを接続し、生成された空気プラズマ流をプラズマ噴射口２２ａから200mm下流の位置でサンプリングして行った。
【００５０】
図１２に示すように、例えば、ｆ=100Hz，Ｖ=14kV，Ｑ=6.0×10−３ｍ３/minで放電を行った場合、NO2の濃度は100ppmを示している。NO2の濃度は、O3の場合と同様、周波数ｆおよび印加電圧Ｖに対して直線的に増加していることが確認された。このことからも、本発明の実施の形態のプラズマ発生装置１０およびプラズマ発生方法は、NO2の生成量に対する制御性に優れているといえる。
【００５１】
［空気プラズマ流中のラジカルの輸送特性］
ｆ=1000Hz，Ｖ=8kVまたは14kVとし、流量をＱ=0.3，1.0，3.0，6.0，9.0×10−３ｍ３/minと変化させて放電を行ったときの、空気プラズマ流中のO3、NOおよびNO2の下流方向への分布を測定し、その結果をそれぞれ図１３、図１４および図１５に示す。測定は、図１に示す質量分析計５を使用して、プラズマトーチ１１のプラズマ噴射口２２ａにサンプリング用のチューブを接続し、生成された空気プラズマ流をプラズマ噴射口２２ａから100，200，300，400，500mm下流の位置でサンプリングして行った。
【００５２】
図１３に示すように、O3は、Ｑ=1.0×10−３ｍ３/min以上では、下流100mmから500mmまで電流値の比、すなわち生成量が減衰せず、流量の減少に伴って生成量が増加していることが確認された。一方、流量がＱ=0.3×10−３ｍ３/minの場合には、生成量が減少し、特に、図１３（ｂ）に示すように、印加電圧をＶ=14kVと増加させたとき、O3の生成量が極端に減少することが確認された。また、流量がＱ=0.3×10−３ｍ３/minの場合、下流ほど生成量が減衰することも確認された。これは、流量に対して印加電圧および周波数が過大であるために、放電部でのO3生成の反応が飽和・抑制されたため、下流域におけるO3の消滅反応が生成反応を上回ることが原因であると考えられる。
【００５３】
図１４に示すように、NOは、流量の減少に伴って生成量が増加しており、下流の各点における減衰も認められないことが確認された。また、図１５に示すように、NO2は、Ｑ=1.0×10−３ｍ３/min以上では、流量の減少に伴って生成量が増加することが確認された。また、NO2は、下流における減衰はないものの、流量がＱ=0.3×10−３ｍ３/minの場合に、O3同様生成量が減少していることが確認された。以上の結果から、流量を極端に小さくして誘電体バリア放電を行った場合、O3およびNO2の生成を抑制した状態で、燃焼促進に寄与するNOラジカルを選択的に生成できる可能性があると考えられる。また、下流における生成量の減衰がないことを利用して、生成されたO3、NOおよびNO2を輸送することができ、O3、NOおよびNO2の利用拡大を図ることができると考えられる。
【００５４】
［空気プラズマ流の温度場特性］
ｆ=1000Hz，Ｖ=14kV，Ｑ=6.0×10−３ｍ３/minとして放電を行ったときの、空気プラズマ流のガス温度を測定し、その結果を図１６に示す。ガス温度測定は、図１に示すＫ型（銅−コンスタンタン）熱電対８を使用して、プラズマトーチ１１のプラズマ噴射口２２ａから下流の各点（z=0，5，10，15，20mm）で行った。また、測定開始からｔ＝10sの時点で放電を開始し、温度変化が定常になるｔ＝200sまで放電を行った。図１６に示すように、プラズマ噴射口２２ａから下流に向かうほど、ガス温度は減少することが確認された。
【００５５】
周波数ｆおよび印加電圧Ｖを変化させ、Ｑ=3.0×10−３ｍ３/minで放電を行ったときの、ｚ=10mmの位置での空気プラズマ流の最高温度を測定し、その結果を図１７に示す。図１７に示すように、空気プラズマ流の最高温度は、最大値でも350K程度と低温であることが確認された。空気プラズマ流の最高温度は、周波数が1000Hz以下の場合、周波数および電圧に対し、ほぼ直線的に増加することが確認された。また、周波数がｆ=1500Hz以上、かつ印加電圧Ｖ=14kV以上の場合、最高温度がほぼ一定となっていることが確認された。これは、高周波数かつ高電圧の場合に、電圧の立ち上がり応答が放電に追いつかなくなるためであり、高周波数・高電圧下で温度上昇が抑制される効果ではないと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施の形態のプラズマ発生装置を示す全体構成図である。
【図２】図１に示すプラズマ発生装置の（ａ）断面図、（ｂ）第１電極の拡大側面図である。
【図３】図１に示すプラズマ発生装置および本発明の実施の形態のプラズマ発生方法の、印加電圧を示す（ａ）ｆ＝1000Hz、（ｂ）ｆ＝1500Hz、（ｃ）ｆ＝2000Hzの波形図である。
【図４】図１に示すプラズマ発生装置および本発明の実施の形態のプラズマ発生方法の、放電電流を示す（ａ）ｆ＝1000Hz、（ｂ）ｆ＝1500Hz、（ｃ）ｆ＝2000Hzの波形図である。
【図５】図１に示すプラズマ発生装置および本発明の実施の形態のプラズマ発生方法の、放電電力を示すグラフである。
【図６】図１に示すプラズマ発生装置および本発明の実施の形態のプラズマ発生方法の、分光計測結果の放射強度を示すグラフである。
【図７】図１に示すプラズマ発生装置および本発明の実施の形態のプラズマ発生方法の、各種ラジカルの質量分析結果の質量増加率を、放電開始前（off）の空気中に存在する各種ラジカルの示す電流値（Ioff）に対する、放電開始後（on）の空気プラズマ流中の各成分が示す電流値(Ion)の値として示すグラフである。
【図８】図１に示すプラズマ発生装置および本発明の実施の形態のプラズマ発生方法の、O3の質量分析結果の（ａ）周波数に対する質量増加率、（ｂ）印加電圧に対する質量増加率を示すグラフである。
【図９】図１に示すプラズマ発生装置および本発明の実施の形態のプラズマ発生方法の、NOおよびNO2の質量分析結果の（ａ）周波数に対する質量増加率、（ｂ）印加電圧に対する質量増加率を示すグラフである。
【図１０】図１に示すプラズマ発生装置および本発明の実施の形態のプラズマ発生方法の、オゾンO3の濃度測定結果の（ａ）周波数に対するオゾン濃度変化、（ｂ）印加電圧に対するオゾン濃度変化を示すグラフである。
【図１１】図１に示すプラズマ発生装置および本発明の実施の形態のプラズマ発生方法の、オゾンO3の濃度測定結果のガス流量および周波数に対するオゾン濃度変化を示すグラフである。
【図１２】図１に示すプラズマ発生装置および本発明の実施の形態のプラズマ発生方法の、二酸化窒素NO2の濃度測定結果の（ａ）周波数に対するNO2濃度変化、（ｂ）印加電圧に対するNO2濃度変化を示すグラフである。
【図１３】図１に示すプラズマ発生装置および本発明の実施の形態のプラズマ発生方法の、プラズマ噴出口から下流でのO3分布を示すグラフである。
【図１４】図１に示すプラズマ発生装置および本発明の実施の形態のプラズマ発生方法の、プラズマ噴出口から下流でのNO分布を示すグラフである。
【図１５】図１に示すプラズマ発生装置および本発明の実施の形態のプラズマ発生方法の、プラズマ噴出口から下流でのNO2分布を示すグラフである。
【図１６】図１に示すプラズマ発生装置および本発明の実施の形態のプラズマ発生方法の、プラズマ噴出口から下流での空気プラズマ流のガス温度を示すグラフである。
【図１７】図１に示すプラズマ発生装置および本発明の実施の形態のプラズマ発生方法の、周波数および印加電圧に対する、プラズマ噴出口から10mm下流での空気プラズマ流の最高温度を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５７】
１  真空ポンプ
２  圧力容器
３  オシロスコープ
４  超高感度瞬間マルチ測光システム
５  質量分析計
６  オゾン濃度計
７  窒素酸化物（ＮＯＸ）分析計
８  Ｋ型熱電対
１０  プラズマ発生装置
１１  プラズマトーチ
１２  空気供給部
１３  電源
２１  第１電極
２１ａ  スリット
２２  誘電体
２３  第２電極
２４  接地端子
２５  印加端子
２６  ガス導入部
２６ａ  ガス接続部
２６ｂ  ガス供給口
２６ｃ  ガス噴出口
２６ｄ  連通路
２７  ボンベ
２８  フローコントローラ
２９  供給管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１７】
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【図１６】
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