グラスライ=ング(GL)製品の電極用途ヘの適用
ApplicationofGlassLined

ProductsforDischarge㊨Electrode

技術開発本部

研究開発部

前背戸智

TomobarnMaeseto

倉小Masabiro

晴正裕Ogura

グラスライニング(GL)製品は金属にガラスをライニング(コーティング)した製品である｡金属は電気伝導性,熱伝導性の点で優れている｡一方ガラスは脆く,電気絶縁性であり熱伝導性も悪い｡しかしガラスには表面平滑性,耐食性,誘電性等の特長がある｡

GL電極は両者を組み合わせることでガラスと金属の長所を有しており,機械的強度,化学的安定性,誘電特性,冷却性に優れた電極となり,誘電体を使用した無声放電用電極として好適である｡本報では実際の製品と適用の可能性のある用途について実験例を上げて紹介する｡

Glass

lined products

has

have

electrodetheOnthermal

both

metal

it utilizes

thatstlitable application

theandsilent

So

glass.

and

the

glass

discharge.

This

Glass

linlng

グラスライニング

電極

Discharge

高誘電率Highdielectric

無声

放電

Silent

プ

UVV
ゾラ

ナン

イ ザ

metal.

the other

theglass
is suitable

theisglass

The

on.

outlinesThe

surface,smoothsoandlined electrodereport

電オ

the

hand,

high
lined
for

experimental

products.

放U(coted) on
has

low

resistance,has goodcharactorofandis lined

the glassconductivity.
Btlt thethermalglass
conductivlty.
dielectric
goodchemicalstability,
properties

application

examplethat

structure

conductivity

electric
metal
goodhasaninsulator
andcorrosion

theelectrodeconstant

discharge

lamp

Ozonizer

ーでreater

トリータ一口‑ルrolュ

ま えがき

ライニング製品もまたライニングするガラスに耐食性以外

グラスライニング(以下GLと呼ぶ)製品はガラスと金属の複合材料である｡従来からガラスの高耐食性と耐付着の機能を付与することで様々な用途‑適用できるものと考え,色々な適用用途向けの開発を行っている｡本報では電性が利用され醸造用の貯槽,樹脂重合反応機や酸･アルカ極用途について既に製品化している3つとGL電極の適用リを使用した反応横に使用されている｡当社では高耐食性の可能性がある適用用途2つについて紹介する｡
1.ランプ

ライニングガラスとしての♯9000や耐付着性を改善するための表面処理､(銀イオンを利用したイオン交換処理)等でユーザのニーズに応えている｡

ガラスは耐食性(耐薬品性)の他にも優れた機能を持っており,ガラス単体ではビーカー等の耐薬品性の要求されGL電極が適用可能な用途として,無声放電を利用したランプがある｡現在は石英ガラスの2重管にガスを封入した第1図のような構造のランプが製品化されている｡1)請電体として石英ガラスが使用されているが,石英ガラスのる用途以外で各種レンズ部品(透光性),半導体基板(絶縁性及び低誘電損失),ハードディスク基材(平滑性と機誘電率は約4と小さい｡ランプとしての効率を左右する放械強度)等の様々な用途に使用されている｡当社のグラスな誘電体を利用した方が有利である｡

ββ

電空間‑のエネルギー投入効率を考えると,誘電率の大き

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40 No.

2(1997/3)

実験結果

1. 2

GL電極では母材金属とライニングするガラスの組み合わせを適切に選択することで,ガラスの物性を広範囲に調2.

1.
1発光波長とスペクトル
第3図にⅩe,Ar,Krを封入ガスとした場合の発光ス整することが可能である｡今回はGL電極を使用したランプに関して,同志社大学と行った共同研究の結果についてペクトルを示す｡

紹介する｡に封入ガスを変えることで異なる波長の光が得られてい1.

る｡2)封入ガスを選択することで真空紫外光から可視光線まで得ることが可能である｡3)1構造
基礎的な実験であるため第2図のようなパイプ塾GL電GL電極を使用した場合でも,このよう極を2本使用した装置にて実験を行った｡装置本体はセラ

1.

ミックス製であり,胴体の両端の端彼の取り付け角度が変更出来るようになっている｡また,胴体には光学測定用の第4図にⅩeとClの混合ガスを使用した場合の封入ガ

2.

2

ガス圧力と線量ス圧力と得られた光出力の関係を示す｡周波数6kHz,7kVの交流電圧を印加した｡
ⅩeとClの混合ガスの場合フランジが設けてある｡電極母材には冷却水を通水するため,今回はステンレス鋼を使用している｡ロータリポンプ

は160torr付近で最大値を示している｡

で排気後にターボ分子ポンプで高真空とし,所定のガスを封入している｡

スの場合についても同じであった｡ただし,合はガス圧力と共に光出力が増加した｡

Ⅰ(rとClの混合ガ
Ⅹe単独の場

放電中の電極部分を写真1に示す｡

Outerelectrode̲I̲

̲T T T T
Luv̲LDischargegap
Coolingwater

Innerelectrode[Al]Gas[ex:Ⅹe,Kr,Ⅹe‑Cletc･】
ACpo Wer
supplyQuartz‥￣T‑1￣TTT= UV+̲..

第1図
Fig.

写真1放電中のGL電極部(Ⅹeガス1.

ユキシマランプ構造模式図
1

Schematic

illustrationofex血erlamp

Photo.1

Appearance(Ⅹe gasatof discharge
1. 1atm)

1気圧)
atGL

electrodes

Optical measurement
apparatus
Flangefor optical

Windowmeasurement[CaF2]

Ceramics
Discharge gap

Cooling Ⅵrater＼Gas [Xe,Kr, Ⅹe‑Cl etc.]〜ACpower

第2固To

vacuumsyste皿andGlass lined
electrodegasinduction

systemsupply

実験用リアクタ‑構造模式B]

Fig.

2

Scbematic

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40

No.

2illustration(1997/3)ofexperimental

reactor

神鋼パンテツク技報

69

:コ
ed

0.2

∈,////ll,,I,′′'f=U＼a○○.旦>>‑･tj(I)

1忘
⊂:

l=

召(DヰJ!=,0･1

100

50

Degree120140160

Wavelengtb

第3図Fig.

[nm]

Spectrum

of UV

about

sourcefor

Windowmeasuremento ‖ igbt
intensity

Ar,Kr,Ⅹeを使用した場合の発光スペクトル3[deg]

180

Ar,

Kr,ヽ[:::::コ[:::=】[コ00Ⅹe/000Electrode [GL]o45oOo∈Relationship between

Uwindowand90勺
i∝1inationof electrodes

､＼>
丘

第5国
Fig.

電極角度と光出力の関係
5･tjLhRelationsbip
and>

0.5

betweeninclination

ofelectrodes

UV'intenslty!=q,)【=

来ていないが,誘電損失の増加による無効電力の増加を考慮しても,誘電率が2倍になったことによる放電パワーの増加の方が大きいと予想される｡
また,今回はパイプ状電極を2本平行に配置した電極構
400

600

Pressnre【torr】

200

第4図
Fig.

造であるが,GL電極では電極構造によっては1つの電極に接地電極と高圧電極の両方を設けることが可能であるた800

ガス圧力と光出力の関係(0.22%塩素含有Ⅹeガス使用)4Relationshipintensity(Gasbetween

gas: Ⅹecontentspressure

0.22%

UV

and

め,例えばパイプ状のGL電極1本で放電を発生させて発光させることも可能であり,構造のフレキシビリティーがある｡

C12)

大学にて前述のようなGLの特長を考慮した実験を継続
1.

2.

3

電極の周囲の線量分布していただき,既存品とは異なる特長を有するGLランプ

この実験装置ではパイプ電極を2本平行に並べて放電を発生させている｡この場合,電極の周囲で光出力の分布が大きく異なる可能性がある｡封入ガスをⅩe,圧力が1.1が製品化され,新たなGL製品の展開となることを期待す

2本の電極の中心を結ぶ線と直交する位
atmの場合で,置に光出力測定窓がある場合の角度を0度とし,45,90度

オゾナイザーは通常は内面に導電膜を塗布したガラス管をステンレスパイプに挿入し,その空隙間で放電を発生さと変化させた場合に得られる光出力の変化の例を第5国にせオゾンを生成している｡またGL製オゾナイザーでは内面GLのパイプにステンレスパイプを挿入した形で同様に示す｡得られた光出力は45度の場合が最も大きく,る｡

2.オゾナイザー

0度と90度では同程度である｡例えば,パイプ電極を並列に並べ放電を発生させている｡4)通常のオゾナイザーとGL製オて商状に照射する場合に45度方向が強い方が,平均的な照射には適している｡
1. 3
今後の展開

ゾナイザーではGL製オゾナイザーの方が冷却効率が良い

今回紹介したデータでは誘電率の大きな(石英ガラスの約2倍)ガラスを使用したことによる効率の検討までは出7βという点で差別化を図っているようである｡
当社では放電電極用ガラスとして誘電率を通常のGL用ガラスの約2倍にしたガラスを開発した｡オゾナイザーにおいてもガラスの誘電率を大きくすることで放電パワーを

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ーAcrylicGL

electrodくil2

写真ーDischargeg.ap

GL電極間での放電(大気中)Appearance

Photo.2

plasticofdischargeGLbetweenelectrodes(Atmosphere:Air)

400
AcrylicGas

plasticinGas

out｢言CLCLGL

electrode【=(⊃'B

B

200⊂:

第6図6Fig.

q)
U

GL電極を使用したオゾナイザーの模式図
Schematic

illustrationof ozonizer

⊂:

with

⊂〉
U

GL(じ(コ⊂)electrodes.

N⊂)㊨ :4.5kV●:4kV

大きくでき,オゾン化効率の改善が期待できる｡このガラスと通常のライニング用ガラスを使用した場合での発生オゾン濃度の比較実験を行った結果について紹介する｡
2.

〉6810

Dielectric1実験装置

第7図

軟鋼上に通常の下引きガラスと上引きガラスをライニン

Fig.

12[‑]

econstant

発生オゾン濃度と誘電率の関係
7Relationsbip
dielectric

グしたサンプルと上引きガラスを高誘電率ガラスに変更し

betweenconstant

ozone

at

4kV

concentration
4.5kV

and

and

たテストピースについて実験を行った｡電極は20×110×(角部R加工)の母材に1mmのGL厚みで底面の1面を6t除き全てにライニングを行った｡実験用のオゾナイザーの2.

模式図を第6図に,放電中の電極間の写真を写真2に示す｡
2.

2

今後の展開

3

今回簡単な実験にて高誘電率ガラスの優位性を評価した｡

実験結果

次は高誘電率ガラス単体でライニングした場合についてオ

実験はエアーポンプにて室温の空気を20e/minで送り,ゾン生成実験を行い,オゾン化効率を評価して高誘電率ガ

電極間ギャップ1mmで5kHzの高電圧を印可して電極間で放電を発生させオゾンを生成し,出口のオゾン濃度を測定

ラスの性能を明確にする予定である｡
今回使用したGL用高誘電率ガラスはオゾナイザーも対象となるが,その他の電極用途においても同様に有利となした｡測定結果を第7図に示す｡横軸に誘電率をとっているがE‑8が通常の上引きガラスを使用した場合で,E‑11が高誘電率ガラスを使用した場合である｡予想される通り,誘電率が高い方が得られるオゾン濃度が高い｡今回高る場合が多いと考えられる｡今後各種適用用途において実験を行い評価したいと考えている｡

誘電率ガラスを使用した場合に誘電率が11と低いのは軟鋼

3.トリータ一口ール
当社で販売しているトリータ一口‑ル5)とはグラスライにライニングするために誘電率の低い通常の下引きガラスニング製のコロナ処理用受口‑ルのことである｡従来品はを使用したため,ライニング層としての誘電率が低くなっロールコーティング材として樹脂,ゴムが使用されており表面硬度,耐熱性,耐オゾン性の点で問題がある｡しかし,たためである｡母材を変更することで下引きガラスを使用せず,この方ラスを直接ライニングすることも可能であり,グラスライニング製の場合はガラスの優れた性質のためにその場合は誘電率は約17となる｡今回はごく簡単な実験を行っただけであるが,高誘電率ガラスを使用した場合の方全く問題とならない｡写真3に製作されたトリータ一口‑が放電開始電圧が低い傾向が見られた｡これはガラス組成の差によるものと考えられる｡
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ルを示す｡
3. 1優れた耐熱性,耐オゾン性
グラスライニング用のガラスは化学工業界で高温の腐食

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71

4.

造

1構

第8図にpHセンサーの構造の模式図を示す｡

pBガラス

はGL面上にコーティングされている銀導体の上にライニングされている.
pHガラス上で発生した電位は銀導体にヨ妾続されライニングガラス層中に埋め込まれている導電体により外部‑取り出される｡比較電極の内部液にはプロセ
ス側より若干高い圧力がかけられており,ガラスディスクが焼きばめされているダイヤフラムからわずかに流出するようになっている｡従ってダイヤフラム部でのつまり等による測定誤差が発生しにくい構造となっている｡
4.

性能21)起電力特性
理論値の59.15(at 25
写真3

Photo.3

トリータ一口‑ルの外観
Appearanceof treater(at25℃)に対して55mV/pH
mV/pⅢ℃)以上を保証することができる｡この数値は一般に使用される理化学機器のpH計(ガラス膜電極)
rollと同程度である｡
起電力特性が直線性を有するpH範囲はpH

0 ‑10であり, pHIO以上では通常のガラス膜電極と同じくアルカリ誤差が発生し,直線性が失われる｡温度変化につい雰囲気でも使用されており,また熟衝撃性も優れている｡てもガラス膜電極と同程度有るが,センサー内部に測温体を設置して自動補償出来るようになっている｡

コロナ放電では放電による温度上昇があり,樹脂,ゴム等では焼ける(溶融する)というトラブルが発生することがある｡しかし,ガラスはその優れた耐熱性のために何らか

2)耐食性のトラブルでロールの回転が停止した場合でも,数10分間程度ではガラスが溶融するような問題は発生しない｡

るため,pliガラスの耐食性は通常の化工機用のガラスより劣

ガラスはフツ酸,強アルカリを除くほとんどの薬品に対pHガラスの耐食性によってセンサーの寿命が決定される｡センサーの保証期間は0.1mm/year以内でして安定である｡コロナ放電の場合は放電により空気中の酸素からオゾンが生成される｡オゾンは強酸化性であるがの使用に対しては24時間連続使用で1年間としているが,実際の寿命はこの数倍である｡

ガラスは優れた化学安定性のため全く影響を受けない｡ま3)横械的強度
機械的強度はグラスライニング製であるため通常のバッ

た,ロール表面に付着物が発生した場合,樹脂やゴムロー

ルでは付着物の除去がしにくいが(機械的強度,耐溶剤性,耐酸性が弱い),ガラスの場合は溶剤や酸による洗浄が可フル等と同等の高い機械的強度を有している｡
4)熟的特性能である｡
23.

内部液の凍結･沸騰のため,通常の使用温度範囲は0 ‑140

電気特性

トリータ一口‑ルの場合,ガラス厚みは1.5mmであり40kV/mT¶と高い耐電圧強度をもっている｡また誘電率は8と高く,樹脂やゴムロールと比べより低い出力で十分な処理℃である｡熟衝撃性については当社標準グラス同様に△T‑130℃まで許容される｡

5)応答性
pHOからpHIOへのpHの急激な変化に対しても90%
応答時間は約3秒以内であり,最終値でも5‑60秒で指が得られる｡トリータ一口‑ルには高温で使用されても誘電率の変化がほとんど無いように設計されたガラスが使用示される｡

されており,安定な処理が可能である｡

4.

3.

現在はpHセンサー以外に温度センサー,レベルセンサー,警報センサーを販売している｡今後はpH(水素イオン濃3

経済性

トリータ一口‑ルの価格は樹脂,ゴムロールより高価であるが,樹脂,ゴムロールの寿命に比べトリータ一口‑ル

今後の展開

3皮)以外のイオン濃度も測定可能なセンサーを商品化したの寿命は数倍長く(数年),またメンテナンス性の良さ,いと考えている｡

優れた電気性能等を考慮に入れると経済的なロールといえ5.放電電極不活性ガス雰囲気中でグロー放電や無声放電を発生させ,る｡
4.

不活性ガスと共に表面処理のために含ませている微量の反pH電極
反応槽内にてpH測定を行うには,通常のガラス膜電極

応性ガスにより被処理品の表面処理を行う装置に当社のに保護管を付けてリアクタ内に設置して測定する方法があ

GL電極が採用されている｡

る｡しかし圧力変動による破損や汚れが問題となる｡
当社で販売しているグラスライニング製pHセンサー6)採用された理由は①

冷却可能な樽造｡
放電により温度上昇が発生するため,冷却は必要不

は,高い耐食性を有した測定電極用ガラスが母材金属上にライニングされているため機械的強度が優れており,高速流体や高粘性及び固形物を含んだ液体を含有した反応槽に可欠である｡(多 良いグロー放電安定性oも直接設置しpH設定が行える｡
72

グロー放電でなく火花のような糸状の放電が多数発

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Joint for pressure
Pressurean(Isupply lヽrithinterllal
solution

gauge

Tank
Interna一solution[K2SO4 Staturated solutiorl]
Reference electrode田g/tlg2SO4]

CoverNozzle

秤Thermistor

Ag layer?

pE glass

Glass layer

Glass plate

第8図
Fig･Diaphragm

GL梨pHセンサーの構造図
8

ScbematicillustrationofstructureofsensorpH

生すると処理品へダメージを与えることがあるためグ

GL電極の表面はガラスの表面であり,非常に平滑であるo

グロー放電の安定性が良く,高い放電出力が得られる｡通常グロー放電の安定性が良い材料では誘電率が小さく大きな放電出力が得られない｡
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良い表面平滑性④

ロー放電の安定性が要求される｡③ 高い放電出力

したがって,被処理品が接触しても傷がつくことがない｡⑤

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高い機械的強度
GL電極はガラスと母材金属が融着しているため非7∂常に高い機械強度を持っており,装置‑の脱着の際のかあるが契約上の問題のため残念ながら細部まで紹介するハンドリングが容易である｡
この装置では冒頭に述べたようにGL電極の良い点がすことが出来なかった｡
これからもガラスの優れた特性を生かしたGL製品を開発すべく努力を続けると共に,個々のユーザからのニーズべて要求されおり,当社のGL電極がその要求をすべて満たしたため採用されている｡
本電極の最も重要な点はグロー放電安定性を保ちつつ高に応えられるきめ細やかな開発も続けて行きたいと考えている｡

い放電出力を維持する点であったが,当社の長年のGL製作上のノウハウとガラスの成分設計により解決した｡
む
すび[参考文献]
1)松野ら:第54回応用物理学会学術講演会(1993)

本報ではGL電極の実験例と適用例(製品)について紹

2) U.

介してきた｡
当社は技術研究所において種々の適用用途に関して,ユーザ毎のニーズにあった製品となるようユーザ個別に試作開Kogelschatz3)光技術コンタクト,
4)北出ら:富士時報,:放電研究,

Vol.

137,

Vol.

32,

No.

2,

Vol.

59,

No.

4,

5)神鋼ファウドラー･ニュース,発も行っている｡実際に製品化されたものも多数あり,そ講演予稿集No.1,Vol.

(1992),

23‑36(1991)(1986), 321‑324
23,

No.1.

(1979),

No.314,(1979),

P.1

ういった場合は通常は秘密保守契約を結んで開発を行って

6)神鋼ファウドラー･ニュース,

Vol.

23,

Vol.

40 No.

P.1

いる｡今回の電極用途においても,そういう事例がいくつ

連絡先
前背戸

智晴

技術開発本部

小倉正

裕

技術開発本部
研究開発部

研究開発部
TE
FAX
E‑mail74t.

L

078‑992‑6525

TE

078‑992‑6504

maeseto@pantec.

co.

FAX

jp

E一皿ailm.

L

078‑992‑6525
078‑992‑6504

ogura@pantec.

神鋼パンテツク技報

co.

jp

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