説明

プラズマ発生電極、およびプラズマ反応器

【課題】金属体とセラミック体との接合部分が、例えば、金属体の放電や排気ガスによって腐食するのを抑制することができ、しかも、金属体とセラミック体とを強固に接合することができるプラズマ発生電極、およびプラズマ反応器を提供する。
【解決手段】セラミック体2と金属体3とを含む単位電極4を、金属体3が互いに対向するように、少なくとも二つ備え、単位電極4間に電圧を印加することによって当該単位電極4間にプラズマを発生させることが可能なプラズマ発生電極1であって、金属体3の金属原子がセラミック体2へ拡散されていることにより、金属体3とセラミック体2とが接合されている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、単位電極間に電圧を印加することによって当該単位電極間にプラズマを発生させることが可能なプラズマ発生電極、およびプラズマ反応器に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、ディーゼルエンジン、ガスタービン等の内燃機関、ボイラ等の外燃機関の燃料として軽油や重油が使用されている。軽油や重油を燃料として使用した場合、燃焼時に、浮遊粒子物質(以下、「SPM」と称する)、窒素酸化物(以下、「NOx」と称する)、炭化水素(以下、「HC」と称する)、および一酸化炭素(以下、「CO」と称する)等が発生する。燃焼時に発生するSPM、NOx、HC、およびCO等は、排気ガスとして大気へ放出されることになる。
【0003】
ここで、SPMは、人体に対して癌を誘発する(発癌性)等の健康被害を及ぼすことが知られている。また、NOxは、酸性雨や光化学スモッグ等の環境破壊を引き起こす原因となることが知られている。さらに、HCおよびCOも、人体および動植物へ悪影響を及ぼすことが知られている。このため、SPM、NOx、HC、およびCO等を排気ガスとして大気へ放出する際に、SPM、NOx、HC、およびCO等を無害なものに処理する必要がある。SPM、NOx、HC、およびCO等を無害なものに処理する装置として、従来から、プラズマ発生電極を含むプラズマ反応器が知られている(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
ここで、プラズマ反応器を構成するプラズマ発生電極は、一般に、次のような構成を備えている。すなわち、セラミック体と金属体とを含む単位電極が、金属体が互いに対向するように、少なくとも二つ備えられている。なお、セラミック体の上部に形成されたメタライズ層と金属体とがロウ材によってロウ付けされていることにより、セラミック体と金属体とは互いに接合されている。このため、セラミック体と金属体との接合部分であるメタライズ層およびロウ材が、排気ガスによって腐食しないように、金属体全体を覆う保護膜が、セラミック体の上部に形成されている(例えば、特許文献2参照)。
【0005】
このようなプラズマ発生電極は、単位電極間に電圧を印加し、個々の単位電極を放電させることによって、単位電極間にプラズマを発生させることができる。このため、上記のプラズマ反応器は、プラズマが発生された単位電極間に、排気ガスを通過させることにより、排気ガスに含まれるSPM、NOx、HC、およびCO等を無害なものに処理することができる。具体的には、単位電極間に発生されたプラズマによって、短時間のうちに、排気ガスに含まれるSPMが酸化され、NOxおよびCOが分解され、HCが分解されてCOになり、無害な排気物質となって大気へ放出される。
【特許文献1】特開2005−129247号公報
【特許文献2】特開2005−93107号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、上記従来のプラズマ発生電極においては、セラミック体と金属体との接合部分であるメタライズ層およびロウ材が、プラズマを発生させるための金属体の放電によって、腐食してしまう。
【0007】
また、上記従来のプラズマ発生電極においては、セラミック体と金属体との接合部分であるメタライズ層およびロウ材が、排気ガスによって腐食しないように、金属体全体を覆う保護膜が、セラミック体の上部に形成されている。しかしながら、一般に、金属体の端部には、十分な厚さで保護膜を形成することは難しい。このため、保護膜を形成しているにも関わらず、金属体の端部から排気ガスが侵入することによって、セラミック体と金属体との接合部分であるメタライズ層およびロウ材が腐食してしまうことがあった。
【0008】
このように、セラミック体と金属体との接合部分であるメタライズ層およびロウ材が腐食すると、セラミック体と金属体とが剥がれ易くなる。セラミック体と金属体とが剥がれ易くなるので、金属体が十分に放電することができない場合があった。このため、排気ガスに含まれるSPM、NOx、HC、およびCO等を無害なものに処理することができない場合があった。
【0009】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、金属体とセラミック体との接合部分が、例えば、金属体の放電や排気ガスによって腐食するのを抑制することができ、しかも、金属体とセラミック体とを強固に接合することができるプラズマ発生電極、およびプラズマ反応器を提供することにある。
【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おけるプラズマ発生電極は、セラミック体と金属体とを含む単位電極を、前記金属体が互いに対向するように、少なくとも二つ備え、前記単位電極間に電圧を印加することによって当該単位電極間にプラズマを発生させることが可能なプラズマ発生電極であって、前記金属体の金属原子が前記セラミック体へ拡散されていることにより、前記金属体と前記セラミック体とが接合されている。
【0011】
本発明のプラズマ発生電極によれば、金属体の金属原子がセラミック体へ拡散されていることにより、金属体とセラミック体とが接合されているので、金属体とセラミック体との接合部分が、金属体の放電や排気ガスによって腐食するのを抑制することができる。また、金属体の金属原子がセラミック体へ拡散されていることにより、金属体とセラミック体とが接合されているので、金属体とセラミック体とを強固に接合することができる。
【0012】
上記目的を達成するために本発明におけるプラズマ発生電極は、セラミック体と金属体とを含む単位電極を、前記金属体が互いに対向するように、少なくとも二つ備え、前記単位電極間に電圧を印加することによって当該単位電極間にプラズマを発生させることが可能なプラズマ発生電極であって、前記金属体と前記セラミック体との間に、前記金属体の金属原子と酸素とから得られる酸化物が介在されている。
【0013】
上記目的を達成するために本発明におけるプラズマ反応器は、本発明のプラズマ発生電極を含み、前記単位電極間に、所定の成分を含むガスが通過した場合に、前記単位電極間に発生されたプラズマにより前記ガスに含まれる前記所定の成分が反応する。
【発明の効果】
【0014】
以上のように、本発明のプラズマ発生電極、およびプラズマ反応器は、金属体とセラミック体との接合部分が、例えば、金属体の放電や排気ガスによって腐食するのを抑制することができ、しかも、金属体とセラミック体とを強固に接合することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
本発明の実施形態において、前記金属体の表面の端部が曲面状に形成されている態様とするのが好ましい。この態様によれば、金属体の表面の端部が曲面状に形成されているので、金属体の表面の端部が角状に形成されている態様と比較して、金属体の表面全体に渡ってプラズマを発生させることができる。
【0016】
本発明の実施形態において、前記金属体の表面が凸凹に形成されている態様とするのが好ましい。この態様によれば、金属体の表面が凸凹に形成されているので、金属体の表面の凸凹の凸における電界の強さが、金属体の表面の端部周囲の電界の強さとほぼ等しくなる。これにより、金属体の表面全体に渡って一様にプラズマを発生させることができる。
【0017】
本発明の実施形態において、前記金属体の裏面に切欠部が複数形成されており、前記切欠部が形成されていない箇所における前記金属体の裏面と、前記セラミック体とが拡散接合されている態様とするのが好ましい。この態様によれば、切欠部が形成されていない箇所における金属体の裏面と、セラミック体とが拡散接合されているので、セラミック体と熱膨張係数の異なる金属体を用いた場合であっても、セラミック体と金属体との間で発生する熱応力が、切欠部で吸収緩和される。熱応力が切欠部で吸収緩和されるので、セラミック体から金属体が剥がれ難くなる。この結果、セラミック体と金属体との接合の信頼性が向上する。
【0018】
本発明の実施形態において、前記金属体の裏面に突起部が複数形成されており、前記金属体の裏面に形成された複数の突起部と前記セラミック体とが拡散接合されている態様とするのが好ましい。この態様によれば、金属体の裏面に形成された複数の突起部とセラミック体とが拡散接合されているので、セラミック体と熱膨張係数の異なる金属体を用いた場合であっても、セラミック体と金属体との間で発生する熱応力が、突起部で吸収緩和される。熱応力が突起部で吸収緩和されるので、セラミック体から金属体が剥がれ難くなる。この結果、セラミック体と金属体との接合の信頼性が向上する。
【0019】
本発明の実施形態において、前記金属体が、銅、クロム、ニッケル、チタン、またはステンレス鋼である態様とするのが好ましい。
【0020】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【0021】
ただし、以下で参照する各図は、説明の便宜上、本発明の一実施形態の構成部材のうち、本発明を説明するために必要な主要部材のみを簡略化して示したものである。したがって、本発明に係るプラズマ発生電極、およびプラズマ反応器は、本明細書が参照する各図に示されていない任意の構成部材を備え得る。また、各図中の部材の寸法は、実際の構成部材の寸法および各部材の寸法比率等を忠実に表したものではない。
【0022】
図1は、本発明の一実施形態に係るプラズマ発生電極1の一例を示す斜視図である。図2は、図1中に示した切断線A−A´に沿って切断した断面図である。図1および図2に示すように、プラズマ発生電極1は、セラミック体2と金属体3とを含む単位電極4を、金属体3が互いに対向するように、二つ備えたものである。ここで、単位電極4間に電圧を印加することによって単位電極4間にプラズマを発生させることができる。なお、図1および図2では、説明の簡略化のために、単位電極4を二つ図示したが、これに限定されない。すなわち、単位電極4は、二つ以上備えられていればよい。
【0023】
セラミック体2は、酸化アルミニウム(アルミナ)、窒化珪素、窒化アルミニウム、ムライト等のセラミックからなる。なお、セラミック体2は、金属体3を支える支柱としても機能するため、セラミックの中でも、特に、アルミナのような高強度なセラミックであることが好ましい。
【0024】
金属体3は、銅、クロム、ニッケル、チタン、またはステンレス鋼等の金属からなる。ここで、本実施形態においては、金属体3の表面には、不動態膜(酸化被膜)が形成されている。金属体3の表面に不動態膜が形成されているので、金属体3は、耐腐食性および耐熱性を有することになる。すなわち、詳細は後述するように、本実施形態に係るプラズマ発生電極1は、例えば、排気ガスに含まれるSPM、NOx、HC、およびCO等を無害なものに処理するプラズマ反応器(図3参照)に好適に用いることができるため、金属体3の表面には、不動態膜が形成されていることが好ましい。なお、耐腐食性および耐熱性が求められていない場合、金属体3の表面には、不動態膜が形成されていなくともよい。また、不動態膜が形成された金属体3全体を覆う保護膜が、セラミック体2の上部に形成されていてもよい。
【0025】
本実施形態においては、金属体3の金属原子がセラミック体2へ拡散されていることにより、金属体3とセラミック体2とは接合されている(いわゆる拡散接合)。ここで、拡散接合とは、セラミック体2と金属体3とを、加熱・加圧し、原子の拡散を利用して接合することをいう。より具体的には、拡散接合とは、所望の温度までセラミック体2と金属体3とを加熱しつつ、セラミック体2と金属体3との接合面に垂直な両方向からセラミック体2および金属体3双方に圧力を加えることにより、セラミック体2と金属体3とを密着させて接合することをいう。すなわち、言い換えるならば、金属体3とセラミック体2とが、金属体3の金属原子と酸素とから得られる酸化物からなる接合層を介して接合されている。つまり、酸化物は金属体3へ入り込んでいない。なお、拡散接合には、固相拡散接合や液晶拡散接合も含む。なお、セラミック体2と金属体3との拡散接合の方法については後述する。
【0026】
図3は、本発明の一実施形態に係るプラズマ反応器10の一例を示す断面図である。なお、図3では、説明の簡略化のために、ハッチングを省略している。図3に示すように、プラズマ反応器10は、本実施形態に係るプラズマ発生電極1を含んでいる。ここで、本実施形態に係るプラズマ反応器10には、単位電極4相互間を所定の間隔に隔てるための保持部材5が設けられている。保持部材5は、その内面がプラズマの発生する領域と接触していることから、耐腐食性、耐熱性、および絶縁性を有していることが好ましい。すなわち、保持部材5は、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウム、ムライト等のセラミックからなる。なお、保持部材5は、セラミック体4とボルトにて接続されている。
【0027】
また、本実施形態に係るセラミック体2の内部には、電気配線2aが形成されている。電気配線2aがセラミック体2の内部に形成されているので、排気ガスによって電気配線2aが腐食するのを防止することができる。ここで、電気配線2aは、金属体3と電気的接点2b(もしくは図示しない外部電源)とを電気的に接続するための配線である。なお、電気配線2aは、タングステンやモリブデン−マンガン等の公知のメタライズ層からなる。
【0028】
なお、電気配線2aが金属体3と接続される部位は、図3に示すように、周囲が金属体3に覆われている箇所であることが好ましい。すなわち、電気配線2aが金属体3と接続される部位の周囲が金属体3に覆われていれば、排気ガスによって、電気配線2aが腐食するのを防止することができる。
【0029】
また、本実施形態に係るセラミック体2の側部(外部)には、電気的接点2bが設けられている。電気的接点2bには、電気配線2aが接続されるとともに、図示しない外部電源が接続される。これにより、金属体3には、電気的接点2b、および電気配線2aを介して、外部電源から電圧が印加されることになる。金属体3に電圧が印加されるので、金属体3が放電し、単位電極4間にプラズマを発生させることができる。これにより、本実施形態に係るプラズマ反応器10は、単位電極4間に、所定の成分を含むガス(例えば、排気ガス)が通過した場合に、単位電極4間に発生されたプラズマによりガスに含まれる所定の成分が反応する。すなわち、単位電極4間に発生されたプラズマによって、排気ガスに含まれるSPMが酸化され、NOxおよびCOが分解され、HCが分解されてCOになり、無害な排気物質となって大気へ放出される。
【0030】
次に、セラミック体2と金属体3との拡散接合の方法の一例について説明する。
【0031】
すなわち、セラミック体2の上面に、例えば、0.5mm厚の金属体3(例えば、チタン)を載置する。金属体3が載置されたセラミック体2を、温度800〜850℃、真空度1×10−5Torr程度の真空炉に入れる。そして、金属体3の上面から4t/cm程度の圧力をかける。これにより、金属体3の金属原子がセラミック体2へ拡散され、金属体3とセラミック体2とが接合(拡散接合)される。なお、セラミック体2と金属体3との拡散接合の方法は、これに限定されない。
【0032】
ところで、本実施形態においては、セラミック体2の内部に電気配線2aが形成されているので、金属体3と電気配線2aとを接続するためには、電気配線2aの先端部(以下、「ランド部」と称する)をセラミック体2から突出させておくことが好ましい。なお、ランド部の代わりに、電気配線2aと電気的に導通可能なロウ材等の接着剤が設けられていてもよい。ここで、例えば、ランド部をセラミック体2から10〜20μmほど突出させておく。ここで、金属体3としてチタンを用いた場合に、チタンは柔軟な金属であるので、ランド部とチタン(金属体3)とを拡散接合する際、チタンが変形することにより、ランド部とチタンとは良好に拡散接合される。一方、これとは逆に、金属体3としてチタン以外の柔軟でない金属(例えば、クロム、ニッケル等)を用いた場合に、ランド部と対応する金属体の箇所に凹部を形成しておくことにより、ランド部と金属体とは良好に拡散接合される。なお、この場合、ランド部と金属体の凹部との間にロウ材等の接着剤を介在した上で、ランド部と金属体とを拡散接合させることが好ましい。
【0033】
以上のように、本実施形態に係るプラズマ発生電極1によれば、金属体3の金属原子がセラミック体2へ拡散されていることにより、金属体3とセラミック体2とが接合されているので、金属体3とセラミック体2との接合部分が、金属体3の放電や排気ガスによって腐食するのを抑制することができる。また、金属体3の金属原子がセラミック体2へ拡散されていることにより、金属体3とセラミック体2とが接合されているので、金属体3とセラミック体2とを強固に接合することができる。
【0034】
なお、上述した実施形態は、本発明の実施形態の一具体例を示すものであり、種々の変更が可能である。以下、いくつかの主な変更例を示す。
【0035】
(変更例1)
上述の実施形態における図1および図2では、金属体の表面の端部(特に、4つ角)が角状に形成されている例について図示した。しかしながら、金属体の表面の端部が角状に形成されていると、金属体の表面の端部周囲、すなわち、4つ角周囲の電界が強くなる。このため、金属体の表面の4つ角周囲には、その他の箇所と比較して、より強いプラズマが発生することになる。すなわち、発生するプラズマの強さが金属体の場所によって異なることは望ましくない。そこで、変更例1では、図4に示すように、金属体3aの表面の端部Eが曲面状に形成されている例について説明する。
【0036】
すなわち、図4に示すように、金属体3aの表面の端部Eが曲面状に形成されているので、金属体の表面の端部が角状に形成されている態様と比較して、金属体3aの表面全体に渡って一様にプラズマを発生させることができる。
【0037】
(変更例2)
上述の実施形態における図1および図2では、金属体の表面がなだらかに形成されている例について図示した。しかしながら、変更例1において説明したように、金属体の表面の端部周囲、すなわち、4つ角周囲の電界が強くなってしまう。このため、金属体の表面の4つ角周囲には、その他の箇所と比較して、より強いプラズマが発生することになる。すなわち、発生するプラズマの強さが金属体の場所によって異なることは望ましくない。そこで、変更例2では、図5および図6に示すように、金属体3bの表面Sが凸凹に形成されている例について説明する。なお、図5は、図6の態様と比較して、金属体3bの表面Sの凸凹における凸が角状になっている。
【0038】
すなわち、図5および図6に示すように、金属体3bの表面Sが凸凹に形成されているので、金属体3bの表面Sの凸凹の凸における電界の強さが、金属体3bの表面の端部(4つ角)周囲の電界の強さとほぼ等しくなる。これにより、金属体3bの表面全体に渡って一様にプラズマを発生させることができる。なお、金属体3bの表面Sにおける凸凹の間隔は、より狭い方が好ましい。凸凹の間隔が狭いと、金属体3bの表面全体に渡ってより一様にプラズマを発生させることができる。
【0039】
(変更例3)
上述の実施形態における図1および図2では、金属体の裏面全てがセラミック体と拡散接合されている例について図示した。しかしながら、例えば、セラミック体と熱膨張係数の異なる金属体を用いた場合には、セラミック体と金属体とを拡散接合した場合であっても、セラミック体から金属体が剥がれる可能性がある。すなわち、セラミック体と金属体との接合の信頼性が低下する。そこで、変更例3では、図7に示すように、金属体3cの裏面に切欠部Lが複数形成されており、切欠部Lが形成されていない箇所における金属体3cの裏面と、セラミック体2とが拡散接合されている例について説明する。
【0040】
すなわち、図7に示すように、切欠部Lが形成されていない箇所における金属体3cの裏面と、セラミック体2とが拡散接合されているので、セラミック体2と熱膨張係数の異なる金属体3cを用いた場合であっても、セラミック体2と金属体3cとの間で発生する熱応力が、切欠部Lで吸収緩和される。熱応力が切欠部Lで吸収緩和されるので、セラミック体2から金属体3cが剥がれ難くなる。この結果、セラミック体2と金属体3cとの接合の信頼性が向上する。
【0041】
また、図7に示すように、切欠部Lは、金属体3cの裏面に、同心円状に形成されていることが好ましい。切欠部Lが同心円状に形成されているので、セラミック体2と金属体3cとの間で発生する熱応力が、バランス良く切欠部Lで吸収緩和される。
【0042】
なお、上記では、金属体3cの裏面に切欠部Lが複数形成されている例について説明したが、これに限定されない。すなわち、金属体の裏面に突起部が複数形成されていてもよい。この場合、金属体の裏面に形成された複数の突起部とセラミック体とが拡散接合される。金属体の裏面に形成された複数の突起部とセラミック体とが拡散接合されているので、セラミック体と熱膨張係数の異なる金属体を用いた場合であっても、セラミック体と金属体との間で発生する熱応力が、突起部で吸収緩和される。熱応力が突起部で吸収緩和されるので、セラミック体から金属体が剥がれ難くなる。この結果、セラミック体と金属体との接合の信頼性が向上する。
【産業上の利用可能性】
【0043】
以上のように、本発明は、金属体の放電や排気ガスによっても、セラミック体と金属体との接合部分が腐食することなく、セラミック体と金属体とを強固に接合することができるプラズマ発生電極、またはプラズマ反応器として有用である。
【図面の簡単な説明】
【0044】
【図1】図1は、本実施形態に係るプラズマ発生電極の一例を示す斜視図である。
【図2】図2は、図1中に示した切断線A−A´に沿って切断した断面図である。
【図3】図3は、本実施形態に係るプラズマ反応器の一例を示す断面図である。
【図4】図4は、変更例1に係るプラズマ発生電極の一例を示す断面図である。
【図5】図5は、変更例2に係るプラズマ発生電極の一例を示す断面図である。
【図6】図6は、変更例2に係るプラズマ発生電極の他の例を示す断面図である。
【図7】図7は、変更例3に係るプラズマ発生電極の一例を示す平面図である。
【符号の説明】
【0045】
1 プラズマ発生電極
2 セラミック体
3 金属体
3a 金属体
3b 金属体
3c 金属体
4 単位電極
10 プラズマ反応器


【特許請求の範囲】
【請求項1】
セラミック体と金属体とを含む単位電極を、前記金属体が互いに対向するように、少なくとも二つ備え、前記単位電極間に電圧を印加することによって当該単位電極間にプラズマを発生させることが可能なプラズマ発生電極であって、
前記金属体の金属原子が前記セラミック体へ拡散されていることにより、前記金属体と前記セラミック体とが接合されていることを特徴とするプラズマ発生電極。
【請求項2】
セラミック体と金属体とを含む単位電極を、前記金属体が互いに対向するように、少なくとも二つ備え、前記単位電極間に電圧を印加することによって当該単位電極間にプラズマを発生させることが可能なプラズマ発生電極であって、
前記金属体と前記セラミック体との間に、前記金属体の金属原子と酸素とから得られる酸化物が介在されていることを特徴とするプラズマ発生電極。
【請求項3】
前記金属体の表面の端部が曲面状に形成されている、請求項1または2に記載のプラズマ発生電極。
【請求項4】
前記金属体の表面が凸凹に形成されている、請求項1〜3のいずれか一項に記載のプラズマ発生電極。
【請求項5】
前記金属体の裏面に切欠部が複数形成されており、
前記切欠部が形成されていない箇所における前記金属体の裏面と、前記セラミック体とが拡散接合されている、請求項1〜4のいずれか一項に記載のプラズマ発生電極。
【請求項6】
前記金属体の裏面に突起部が複数形成されており、
前記金属体の裏面に形成された複数の突起部と前記セラミック体とが拡散接合されている、請求項1〜4のいずれか一項に記載のプラズマ発生電極。
【請求項7】
前記金属体が、銅、クロム、ニッケル、チタン、またはステンレス鋼である、請求項1〜6のいずれか一項に記載のプラズマ発生電極。
【請求項8】
請求項1〜7のいずれか一項に記載のプラズマ発生電極を含み、
前記単位電極間に、所定の成分を含むガスが通過した場合に、前記単位電極間に発生されたプラズマにより前記ガスに含まれる前記所定の成分が反応する、プラズマ反応器。



【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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【公開番号】特開2010−129259(P2010−129259A)
【公開日】平成22年6月10日(2010.6.10)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−300607(P2008−300607)
【出願日】平成20年11月26日(2008.11.26)
【出願人】(000006633)京セラ株式会社 (13,660)
【Fターム(参考)】