(57)【要約】【解決課題】様々な放電形式の適用や放電場への触媒の充填などを必要とすることなく、プラズマを化学反応に応用することができる方法を提供する。【解決手段】反応空間に放電プラズマの領域を形成し、前記反応空間に原料である化学物質を供給し、前記反応空間に音源から音波を供給して、前記放電プラズマの領域で前記化学物質に及ぼす反応を促進させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応空間に放電プラズマの領域を形成する工程と、
前記反応空間に原料である化学物質を供給する工程と、
前記反応空間に音源から音波を供給する工程と、
を備え、前記放電プラズマの領域で前記化学物質に及ぼす反応を促進させる、放電プラズマ中での化学反応の促進方法。
【請求項２】
前記音源が共鳴周波数を持った音波を前記反応空間に供給する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記放電プラズマを発生させる電極の設置位置を、前記音波の音圧分布の節の部分に設定した、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記原料が炭化水素である、請求項１乃至３の何れか１項記載の方法。
【請求項５】
前記電極に直流パルス高電圧を印加する、請求項１乃至４の何れか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は放電プラズマに音波を照射することによって、放電プラズマの領域での化学反応を促進する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
これまでプラズマを化学反応に応用することを目的に、様々な放電形式の適用や放電場への触媒の充填などが検討されてきていた。また、核融合炉の開発においては磁場を用いたプラズマ制御が試みられている。
【０００３】
一方、音波の照射による放電の制御が報告されている（静電気学会誌  ２５（２）ｐｐ８４−９０（２００１））。この報告では、媒質が荷電粒子化することによって形成されたプラズマの制御が、音波によって媒質密度が変化することを利用することによって可能となる、ことが明らかにされている。
【非特許文献１】静電気学会誌  ２５（２）ｐｐ８４−９０（２００１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
既述の報告では、放電プラズマ領域で化学反応を促進することについては配慮されていない。本発明は、様々な放電形式の適用や放電場への触媒の充填などを必要とすることなく、プラズマを化学反応に応用することができる方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的を達成するために、本発明者は、放電プラズマ中での化学反応に対する音波の複合化効果を検討した。放電プラズマは局所的に高エネルギーを付与できることから、熱力学支配を受けない非定常反応場を容易に構築することができる。一方、放電空間はきわめて限定的であり、反応は量的に制限される。そこで、媒質粒子の荷電粒子化であるプラズマと媒質粒子の振動運動である音波を複合化することを考えた。音波未照射時に帯状であったストリーマ放電は、音波の照射により扇型に拡張され、その拡張の程度は照射した音の強さに比例することが明らかとなった。
【０００６】
本発明は、係る知見に基づいてなされたものであり、その要旨は、反応空間に放電プラズマの領域を形成し、前記反応空間に原料である化学物質を供給し、そして、前記反応空間に音源から音波を供給することにより、前記放電プラズマの領域で前記化学物質に及ぼす反応を促進させた、放電プラズマ中での化学反応の促進することにある。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、様々な放電形式の適用や放電場への触媒の充填などを必要とすることなく、プラズマ領域ならびに形成される活性種の質や量を制御し、化学反応に応用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
次に本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明に係わる方法の一例を実施する装置である。当該装置は、反応空間を構成する、アクリル製の中空円柱状の音響菅１０内にプラズマ放電用の電極を設置し、音響菅の一端にスピーカユニット１２を設置した。スピーカユニットからは共鳴周波数（６８０Ｈｚ）の音波が音響菅内に所定の音圧で照射される。音響菅の他端はアクリル板により閉塞し、音圧測定用のマイクロフォンユニット２０が設置されている。音響管の長さは５００ｍｍであり、内径は３０ｍｍである。これらの数値はいずれも一例である。
【０００９】
図１の破線１４は共鳴周波数を持った音波を音響菅内に付与した際に、音響菅に形成される定在波音場の音圧を示したものである。電極（２８，３０）は媒質の振動速度が最大となる音圧分布の節の位置に設置した。
【００１０】
電極はＳＵＳ製との針２８と銅製の平板３０からなる針−平板型にし、平板をアース極にし、他の極に直流高電圧源３２から正の直流高電圧を印加することで、針電極２８から平板極３０にストリーマ放電を形成した。針電極と平板電極との間の距離をプラズマ放電を可能とする例えば１０ｍｍとした。ストリーマ放電の音響菅の長さ方向の幅が放電プラズマ領域になる。
【００１１】
メタンと希釈ガス（Ａｒ）との混合比を９：１に調整したＣＨ4−Ａｒ混合ガス（原料ガス１６）を、ガス供給路１４から音響管内に供給した。メタンとアルゴンそれぞれの流量をマスフローコントローラ（Ｋｏｆｌｏｃ社製Ｍｏｄｅｌ３６５０）で制御し（混合ガスの総流速およびＣＨ4流速をそれぞれ２．０ｍｍｏｌ／ｍｉｎ、０．２ｍｍｏｌ／ｍｉｎ）、それらをスタティックミキサー（混合器）で混合した後、反応器（音響管）に供給した。
【００１２】
直流高電圧源３２は針電極２８に１５〜２０ｋＶの直流パルス高電圧（５５ｋＨｚ）を印加した。混合ガス１６はガス導入路１８を介して音響管１０内に供給され、ガス排出路２６から排出ガス２４が音響管外に送出される。
【００１３】
図１において、符号２２はマイクロフォンユニット２０の電圧計であり、音源１２から供給される音波の音圧を測定するためのものである。
【００１４】
次に、放電方向と垂直に音波の照射を行った。音圧は、音源スピーカ１２に接続されるアンプで調節し、予め測定したアンプ目盛と音圧の関係から決定した。
【００１５】
アルゴンは、本発明が適用される化学物質の一例である、ＣＨ4に対するキャリア物質あるいは希釈物質の一例であり、アルゴン以外の不活性ガスである、ヘリウム、ネオンを用いてもよい。
【００１６】
原料ガス（ＣＨ4）、生成物の定性・定量分析にはガスクロマトグラフを利用した。ガス排出路から音響管外に排出されたガスをガスタイトシリンジを用いてサンプリングし、ガスクロマトグラフに供給した。原料ガスの転化率ならびに生成物の選択率は供給炭素基準で算出した。
【００１７】
音源から供給される音波の共鳴周波数は、音響管の長さと媒体（ＣＨ4−Ａｒ混合ガス）の種類によって決まってくる。
【００１８】
既述の共鳴周波数の音波を音源から音響管に照射した際の、針−平板電極に形成される放電ストリーマの形状の変化を図２に示す。（Ａ）は音波の照射がない場合のストリーマの形状であり、（Ｂ）は音波（音圧（Ｐｓ）＝５５０Ｐａ；振動速度（Ｓｖ）＝１．２ｍ／ｓ）を照射した場合でのストリーマの形状である。
【００１９】
音波の照射がない場合では、１本の帯状のストリーマ（直径＝１．１〜１．４ｍｍ）が確認されたのに対して、音波の照射がある場合にはストリーマが帯状（直径７．０〜７．７ｍｍ）に拡張することが確認された。
【００２０】
これは音波を放電プラズマの領域に照射することにより、電極近傍における媒質密度の微視的な変動が発生し、パッシェン法則におけるｐｄ値（ｐ：ガス圧力、ｄ：電極間距離）の小さな方向への放電が起こったためと推察される。
【００２１】
一方、図３に示すように、放電に際してのＶ−Ｉ曲線の変化に注目すると、音波の照射に伴う曲線の高電圧シフトが確認され、音波は放電の阻害因子として作用していることが明らかになった。これは媒質の振動により電界に乱れが生じたためと推察される。
【００２２】
図４は、音波を照射しない場合（Ａ）と音圧を変えて音波を照射した場合（Ｂ），（Ｃ）とにおいて、針電極−平板電極間での電流（Ｃｕｒｒｅｎｔ）と電圧（Ｖｏｌｔａｇｅ）の時間変化を示した特性図である。針電極−平板電極間には１５ｋＶを印加した。
（Ｂ）は媒体の振動速度（Ｓｖ）が１．２ｍ／ｓの場合の特性であり、（Ｃ）は媒体の振動速度（Ｓｖ）が３．０ｍ／ｓの場合の特性である。媒体の振動速度と音圧は比例関係にあり、音圧が高いほど媒体の振動速度が高くなっている。
【００２３】
図４から明らかなように、音波をプラズマ領域に照射することにより、電極間に放電が発生して、電圧１００が低下して、電流１０２がパルス状に変動するパターンが出現する。媒体の振動速度が高くなるにしたがって電流値の最大値が大きくなる。電流パターンのパルス状の変化は周期的に出現する。（Ｂ）の場合の放電周期は約２０  ｋＨｚであり、（Ｃ）の場合の約１０  ｋＨｚ  である。
【００２４】
図２乃至図４から明らかなように、プラズマ放電領域に音波を供給することによって、放電領域が広がることと、放電の特性が変化することによって、放電領域の化学反応が促進される。特に、音圧分布の節、即ち媒質の振動速度がもっとも大きいところにプラズマ放電領域を形成するとこの傾向が大きくなる。
【００２５】
次に音波の照射によるストリーマの広がりが反応に及ぼす影響を検討した。図５は、音波の照射に伴うＣＨ4の転化率並びに炭素鎖長別に整理した選択率の変化を示す。なお、図５の横軸は、標準マイクロフォンを用いて実測した音圧を換算した振動速度（Ｓｖ）である。
【００２６】
音波の照射なし（０（ｍ／ｓ））でのＣＨ4転化率は約１７％であったのに対し、音波（１．２（ｍ／ｓ））を照射した時のＣＨ4の転化率は約３４％に達した。これは音波の照射に伴う放電空間の広がりが、プラズマ反応の効率の向上に寄与したためと推察される。
【００２７】
一方、生成物の選択率に注目すると、音波の照射に伴いガス状生成物（ＳC2及びＳC3-5が減少し、析出炭層や油状成分ＳC&oil）が増加する傾向を示した。
【００２８】
一連の結果は音波の付与により、プラズマ反応の効率や生成物分布を変化させられることを示しており、音波によるプラズマ反応の非接触制御が可能となる。
【００２９】
生成物（活性種）分布の変化は発光スペクトルからも推測することができる。図６は、１７ｋＶの直流高電圧を電極に印加した場合における、ＣＨ4の転化に伴って生成された活性種の発光スペクトルのチャート図である。横軸は波長（ｎｍ）であり、縦軸は発光強度を示している。
【００３０】
発光スペクトルの上段は、音源から媒質の振動速度Ｓｖが４．８ｍ／ｓの音圧を持った共鳴周波数の音波を供給したチャートであり、下段は音波を供給しないチャートである。両者を比較すると、音波を照射することによりＣ2／ＣＨ比が増加し、Ｈαの強度が増加していることが分かる。これは、プラズマ放電領域に音波を適用することによって、炭化水素の転化が活性化され、脱水素反応が進行していることを示している。
【００３１】
なお、以上説明した実施形態はいずれも一例であり、適宜変更することができる。例えば、電圧源として、交流のものを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明を実施するための方法を実施するための装置を側面から見た模式図である。
【図２】ストリーマ放電の形状を示す写真である。
【図３】音波の照射によって、プラズマ放電領域における電圧と電流が変化する様子を示すＶ−Ｉの特性図である。
【図４】音波の照射によって、プラズマ放電領域における電圧と電流が変換する様子を示す、時間−電圧（電流）の特性図である。
【図５】音波の照射による、メタンの転化率と生成物の選択性を示す特性図である。
【図６】音波の照射による、メタンの転化による生成物の発光スペクトルの特性図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０  音響管
１２  音源（スピーカ）
１４  定在波音場の音圧
２８  針電極
３０  平板電極
３２  直流高電圧源
【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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