エネルギー可変型バリア放電による高密度広断面大気圧プラズマの発生と産業応用

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14380207
• 研究機関: 岩手大学
• 研究代表者: 藤原 民也 岩手大学, 工学部, 教授 (70042207)
• 研究分担者: 小石原 利明 岩手製鉄(株), 次長(研究職) ; 向川 政治 岩手大学, 工学部, 助手 (60333754) ; 高木 浩一 岩手大学, 工学部, 助教授 (00216615) ; 桑島 孝幸 岩手県工業技術センター, 主任専門研究員
• キーワード: 大気圧グロープラズマ / 自己消弧型放電 / バリア放電 / 広断面積化・高密度化 / 投入エネルギー / NOx除去 / 材料表面処理 / 空気浮遊菌除去

研究概要

本研究では、従来のバリア放電とは異なる新しい方式で大気圧グロープラズマを発生させ、プラズマへの投入エネルギーの増大化、大気圧プラズマの広断面積化・高密度化、放電機構の解明と電気物理的特性の明示を目的としており、プラズマへの投入エネルギーは従来の方式の約5倍を目標としている。産業応用に対する取り組みとして、本プラズマをNOx除去に使用し、プラズマによる排ガス処理の技術向上と実用化、材料表面処理や空気浮遊菌除去などへの応用について検討している。以下にこれまでの成果をまとめる。
1)プラズマへの投入エネルギーの増大化:従来使用されてきた誘電体バリア放電における誘電体を消弧コンデンサに置き換えることで、等価的に誘電体バリアの静電容量を増大できる新しい自己消弧型放電形式を考案し、電圧電流測定、及びVQリサージュ法による投入エネルギーの測定を行った。コンデンサ型放電では静電容量を9.4pFから170pFに増大させることで、プラズマへの投入エネルギーは0.47mJから6.01mJ,に増大し、従来の誘電体バリア放電と比較して、投入エネルギーを最大で120倍に増大させることが可能である。大気庄放電では破壊電圧V_<BD>は放電維持電圧V_dよりも十分大きいので、1放電あたりに消費されるエネルギーはCV_<BD>^2/2である。また、プラズマへの投入エネルギーは交流電源の周波数に比例する。.
2)放電回路設計:高密度プラズマの発生には消弧コンデンサの静電容量を大きくして電流を多くすること、及び大電流でもグロー放電からアーク放電に転移する時間よりも短時間で切断できる早い回路であることが必要である。したがって、グローアーク転移の特性時間をτとし、プラズマを含む放電回路の等価抵抗をR、インダクタンスをL、消弧コンデンサの静電容量をCとすると、次の関係を満たすように回路を設計しなければならないことがわかった。L/R<τ<CR

研究成果

• [文献書誌] K.Takaki et al.: "Ion extraction from carbon shunting arc plasma"Applied Physics Letters. 82・16(in press). (2003)
• [文献書誌] S.Mukaigawa et al.: "Measurement of heat flux distribution toward substrate by means of the LiNbO3 interferometer, and electron density in a capacitively coupled rf discharge plasma"Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. (in press). (2003)
• [文献書誌] K.Takaki et al.: "A Capacitor discharge technique with optimized energy for joining ceramics"VACUUM. 65. 457-462 (2002)
• [文献書誌] K.Takaki et al.: "Heat Flux Distribution on a substrate in capacitively coupled radio-frequency discharge plasma"Applied Physics Letters. 80・9. 1526-1528 (2002)
• [文献書誌] 藤原民也: "非定常的放電プラズマの現象と応用"放電研究. 45・4. 67-72 (2002)
• [文献書誌] 高木浩一 et al.: "マルチポイント電極を用いた高効率ディーゼル排ガス処理"プラズマ応用科学. 10. 73-80 (2002)