PLASMA REACTOR

　以下、本発明のプラズマリアクタ１を具体化した一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。

　図１～図３に示されるように、本実施形態のプラズマリアクタ１は、自動車のエンジン（図示略）の排ガスに含まれているＰＭを除去する装置であり、排気管２に取り付けられている。プラズマリアクタ１は、パルス発生電源３、ケース１０及びプラズマパネル積層体２０を備えている。

　ケース１０は、例えばステンレス鋼を用いて管状（筒状）に形成されている。ケース１０の第１端部（図１では左端部）には第１コーン部１１が接続され、ケース１０の第２端部（図１では右端部）には第２コーン部１２が接続されている。さらに、第１コーン部１１は、排気管２の上流側部分４（エンジン側の部分）に接続され、第２コーン部１２は、排気管２の下流側部分５（エンジン側とは反対側の部分）に接続されている。なお、エンジンからの排ガスは、排気管２の上流側部分４から第１コーン部１１を介してケース１０内に流入し、ケース１０内を通過した後、第２コーン部１２を介して排気管２の下流側部分５に流出する。

　図１，図３に示されるように、プラズマパネル積層体２０は、ケース１０内に収容されており、ケース１０とプラズマパネル積層体２０との間にはマット６が介在されている。ここで、マット６を構成する絶縁材料としては、例えば、セラミック繊維、金属繊維、発泡金属等を用いることができる。マット６は、プラズマパネル積層体２０をケース１０に保持させる機能を有している。

　図１，図３，図４に示されるように、プラズマパネル積層体２０は、一対のガス通過面２１，２２と、４つのガス非通過面２３，２４，２５，２６とを有する略直方体状をなしている。両ガス通過面２１，２２は、プラズマパネル積層体２０において互いに反対側に位置している。一方、各ガス非通過面２３～２６は、一対のガス通過面２１，２２の間に位置している。

　また、プラズマパネル積層体２０は、複数の電極パネル３０を積層した構造を有している。電極パネル３０の積層方向は、鉛直方向（Ｚ方向）に対して９０°の角度をなす方向（Ｙ方向）となっている。また、各電極パネル３０は、ケース１０内における排ガスの通過方向（第１コーン部１１から第２コーン部１２に向かう方向であるＸ方向）と平行に配置されており、互いに隙間（本実施形態では、０．５ｍｍの隙間）を有するように離間して配置されている。詳述すると、プラズマパネル積層体２０は、隣接する電極パネル３０間に、ガスが通過するガス流路２７（図１参照）を有している。そして、ガス流路２７は、電極パネル３０の両端面（即ち、プラズマパネル積層体２０のガス通過面２１，２２を構成する面）において開口する開口部２８を備えている。なお、本実施形態のプラズマリアクタ１は、開口部２８が縦長（図３，図４参照）となる縦置きのリアクタである。

　図１に示されるように、各電極パネル３０には、プラズマパネル積層体２０の厚さ方向に沿って第１の配線７及び第２の配線８が交互に電気的に接続されている。第１の配線７は、パルス発生電源３の第１の端子に電気的に接続され、第２の配線８は、パルス発生電源３の第２の端子に電気的に接続されている。

　図１，図５，図６に示されるように、本実施形態の電極パネル３０は、第１主面３１及び第２主面３２を有し、縦１００ｍｍ×横２００ｍｍの略矩形板状をなしている。第１主面３１及び第２主面３２は、電極パネル３０の厚さ方向において互いに反対側に位置している。また、電極パネル３０は、平面視で長方形状をなしており、隣接する電極パネル３０間を流れるガスの通過方向（横方向）に沿って延びる辺３３の長さが、通過方向と直交する方向（縦方向）に沿って延びる辺３４の長さよりも長くなっている。

　さらに、電極パネル３０は、矩形板状の誘電体３５に放電電極３６（厚さ１０μｍ）を内蔵してなる構造を有している。本実施形態において、誘電体３５はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のセラミックからなり、放電電極３６はタングステン（Ｗ）からなる。誘電体３５は、第２主面３２にて開口する凹部３７を有している。凹部３７は、電極パネル３０の横方向に延びており、電極パネル３０の両端面にて開口している。本実施形態のプラズマパネル積層体２０では、凹部３７と下層側に隣接する電極パネル３０の第１主面３１とによって、上記したガス流路２７が構成される。なお、プラズマパネル積層体２０を構成する最下層の電極パネル３０には、下層側に電極パネル３０が存在しないため、凹部３７が形成されていない。

　図５，図６に示されるように、電極パネル３０における上側の領域には、第１主面３１側と第２主面３２側とを導通させる導通構造４０が一対設けられている。各導通構造４０は、電気導通部材であるスルーホール導体４１、第１パッド４２及び第２パッド４３を備えている。スルーホール導体４１は、第１主面３１及び第２主面３２を貫通している。そして、一方の導通構造４０に設けられたスルーホール導体４１は、第１主面３１及び第２主面３２に加えて、放電電極３６から外周側に延出する延出部３８を貫通している。また、第１パッド４２は、電極パネル３０において第１主面３１の上端部に形成されている。第１パッド４２は、スルーホール導体４１の第１主面３１側端部に電気的に接続されている。一方、第２パッド４３は、電極パネル３０において第２主面３２の上端部に形成されている。第２パッド４３は、スルーホール導体４１の第２主面３２側端部に電気的に接続されている。なお、第１パッド４２及び第２パッド４３は、それぞれ長方形状をなしており、表面にＮｉ等のめっきが施されている。

　図４に示されるように、プラズマリアクタ１は、各電極パネル３０（プラズマパネル積層体２０）を上方から挟み込んで固定する一対の第１クランプ５０，５１と、各電極パネル３０を下方から挟み込んで固定する一対の第２クランプ５２，５３とを備えている。各クランプ５０～５３は、金属板（例えばステンレス板）を折り曲げることによって形成されている。第１クランプ５０，５１は、各電極パネル３０を挟み込む機能に加えて、放電電極３６に電気的に接続される電気導通部材としての機能を有している。第１クランプ５０，５１は、ケース１０内においてプラズマパネル積層体２０の上半分の領域に配置されており、プラズマパネル積層体２０の下半分の領域には配置されないようになっている。一方、第２クランプ５２，５３は、各電極パネル３０を挟み込む機能のみを有している。第２クランプ５２，５３は、ケース１０内においてプラズマパネル積層体２０の下半分の領域に配置されている。ここで、「プラズマパネル積層体２０の上半分の領域」とは、プラズマリアクタ１が車両に取り付けられた際に、鉛直方向において上半分となる領域をいう。同様に、「プラズマパネル積層体２０の下半分の領域」とは、プラズマリアクタ１が車両に取り付けられた際に、鉛直方向において下半分となる領域をいう。詳述すると、プラズマパネル積層体２０には、最上層の電極パネル３０の第１主面３１に設定された２本の対角線Ｌ１の交点Ｐ１を通過する仮想面Ｃ１が設定されている。仮想面Ｃ１は、電極パネル３０の積層方向に平行であって、かつ、隣接する電極パネル３０間を流れる排ガスの通過方向に平行に配置されている。そして、プラズマパネル積層体２０は、仮想面Ｃ１を基準として第１領域Ａ１と第２領域Ａ２とに分けられている。なお、第１クランプ５０，５１は、第１領域Ａ１に配置され、第２領域Ａ２には配置されないようになっている。一方、第２クランプ５２，５３は、第２領域Ａ２に配置されている。

　また、図４に示されるように、クランプ５０～５３は、クランプ本体５４及び押さえ板５５を備えている。クランプ本体５４は、電極パネル３０の積層方向に延びている。押さえ板５５は、クランプ本体５４と一体に形成され、クランプ本体５４の両端部に配置されている。各押さえ板５５は、弾性を有しており、折り返し構造を有する板ばねである。なお、第１クランプ５０，５１を構成する一対の押さえ板５５は、プラズマパネル積層体２０を構成する最上層の電極パネル３０の第１主面３１の上端部と、プラズマパネル積層体２０を構成する最下層の電極パネル３０の第２主面３２の上端部とにそれぞれ圧接している。そして、第１クランプ５０を構成する両押さえ板５５の一方は、プラズマパネル積層体２０に形成された第１パッド４２に圧接している。また、第１クランプ５１を構成する両押さえ板５５の一方は、プラズマパネル積層体２０に形成された第２パッド４３に圧接している。一方、第２クランプ５２，５３を構成する一対の押さえ板５５は、プラズマパネル積層体２０を構成する最上層の電極パネル３０の第１主面３１の下端部と、プラズマパネル積層体２０を構成する最下層の電極パネル３０の第２主面３２の下端部とにそれぞれ圧接している。

　図２～図４，図７に示されるように、プラズマリアクタ１は、一対の外部端子６０，６１を備えている。本実施形態の外部端子６０，６１は、スパークプラグと同様の構造を有している。詳述すると、外部端子６０，６１は、外部接続部６２、金属粉末を含む導電性シール６３、絶縁体６４、主体金具６５、滑石６６、接続フランジ６７、パッキン類６８等を備えている。外部接続部６２は、導電性シール６３を介して中軸６９（電気導通部材）に接続されている。中軸６９は、第１クランプ５０，５１の押さえ板５５から突出してケース１０に設けられた貫通孔を挿通し、先端部が絶縁体６４内に挿入されている。また、接続フランジ６７は、主体金具６５の外周面とケース１０の外側面とに接合することにより、外部端子６０，６１をケース１０に接続するようになっている。なお、外部端子は、本実施形態のものに限定される訳ではなく、絶縁体によって外部接続部６２とケース１０との間が絶縁されている構造であれば、他の構造であってもよい。

　また、各外部端子６０，６１は、基端部が第１クランプ５０，５１の押さえ板５５に電気的に接続され、先端部がケース１０（図２，図３参照）から露出している。そして、外部端子６０の先端部が第１の配線７に接続されるとともに、外部端子６１の先端部が第２の配線８に接続されるようになっている（図１参照）。なお、外部端子６０，６１が接続される押さえ板５５の長さは、他の押さえ板５５の長さよりも長くなっている。また、各外部端子６０，６１は、同一のガス非通過面２６上に配置されている。さらに、各外部端子６０，６１は、電極パネル３０と平行なガス非通過面２４，２６の上半分の領域、即ち、ケース１０外においてプラズマパネル積層体２０の上半分の領域に配置されている。そして、各外部端子６０，６１は、鉛直方向（Ｚ方向）に対して９０°の角度をなす方向（Ｙ方向）に突出している。

　なお、図１に示されるように、本実施形態のプラズマリアクタ１は、例えば、排ガスに含まれているＰＭを除去するために用いられる。この場合、パルス発生電源３から互いに隣接する電極パネル３０間にパルス電圧（例えば、ピーク電圧：５ｋＶ（５０００Ｖ）、パルス繰返し周波数：１００Ｈｚ）が印加されると、誘電体バリア放電が生じ、放電電極３６間に誘電体バリア放電によるプラズマが発生する。そして、プラズマの発生により、放電電極３６間を流通する排ガスに含まれるＰＭが酸化（燃焼）されて除去される。

　次に、プラズマリアクタ１の製造方法を説明する。

　まず、アルミナ粉末を主成分とするセラミック材料を用いて、誘電体３５となる第１～第３のセラミックグリーンシートを形成する。なお、セラミックグリーンシートの形成方法としては、テープ成形や押出成形などの周知の成形法を用いることができる。そして、各セラミックグリーンシートに対してレーザ加工を行い、所定の位置に貫通孔を形成する。なお、貫通孔の形成は、パンチング加工、ドリル加工等によって行ってもよい。

　次に、従来周知のペースト印刷装置（図示略）を用いて、各セラミックグリーンシートの貫通孔に導電性ペースト（本実施形態では、タングステンペースト）を充填し、スルーホール導体４１となる未焼成のスルーホール導体部を形成する。

　次に、第１のセラミックグリーンシートを支持台（図示略）に載置する。さらに、ペースト印刷装置を用いて、第１のセラミックグリーンシートの裏面上に、導電性ペーストを印刷する。その結果、第１のセラミックグリーンシートの裏面上に、放電電極３６となる厚さ１０μｍの未焼成電極が形成される。なお、第１のセラミックグリーンシートに対する未焼成電極の印刷方法としては、スクリーン印刷などの周知の印刷法を使用することができる。

　そして、導電性ペーストの乾燥後、未焼成電極が印刷された第１のセラミックグリーンシートの裏面上に、第２のセラミックグリーンシート及び第３のセラミックグリーンシートを順番に積層し、シート積層方向に押圧力を付与する。その結果、各セラミックグリーンシートが一体化され、セラミック積層体が形成される。さらに、ペースト印刷装置を用いて、第１のセラミックグリーンシートの主面上に導電性ペーストを印刷し、未焼成の第１パッド４２を形成するとともに、第３のセラミックグリーンシートの裏面上に導電性ペーストを印刷し、未焼成の第２パッド４３を形成する。なお、第３のセラミックグリーンシートは、凹部３７の形状に合わせた打抜加工を施した後に積層される。

　次に、周知の手法に従って乾燥工程や脱脂工程などを行った後、セラミック積層体（セラミックグリーンシート及び未焼成電極）をアルミナ及びタングステンが焼結しうる所定の温度（例えば１４００℃～１６００℃程度）に加熱する同時焼成を行う。その結果、セラミックグリーンシート中のアルミナ、及び、導電性ペースト中のタングステンが同時焼結し、誘電体３５、放電電極３６、スルーホール導体４１、第１パッド４２及び第２パッド４３が同時焼成によって形成され、セラミック積層体が電極パネル３０となる。

　その後、得られた電極パネル３０を複数積層し、プラズマパネル積層体２０を形成する。次に、クランプ５０～５３を用いて、複数の電極パネル３０を積層方向に挟み込んで固定する。このとき、第１クランプ５０を構成する両押さえ板５５の一方が、第１パッド４２に圧接するとともに、第１クランプ５１を構成する両押さえ板５５の一方が、第２パッド４３に圧接する。さらに、溶接等を行うことにより、第１クランプ５０を構成する両押さえ板５５の一方と、第１クランプ５１を構成する両押さえ板５５の一方とに、外部端子６０，６１の基端部を接続する。その結果、両外部端子６０，６１が、同一のガス非通過面２６上に配置されるとともに、鉛直方向と直交する方向に突出するようになる。次に、外部端子６０の先端部に第１の配線７を接続するとともに、外部端子６１の先端部に第２の配線８を接続する。以上のプロセスを経て、プラズマリアクタ１が完成する。

　従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。

　（１）本実施形態のプラズマリアクタ１では、プラズマパネル積層体２０を構成する電極パネル３０の積層方向が、鉛直方向（Ｚ方向）に対して９０°の角度をなす方向（Ｙ方向）に設定され、第１クランプ５０，５１が、プラズマパネル積層体２０の上半分の領域に配置されている。よって、プラズマリアクタ１に水が流入したとしても、各電極パネル３０への通電を担う第１クランプ５０，５１が水没しにくくなるため、第１クランプ５０，５１の水没に起因するリーク電流の発生を防止することができる。ゆえに、投入電力に対するプラズマの発生量が十分に確保されるため、隣接する電極パネル３０間を流れる排ガス中のＰＭをプラズマを用いて酸化して除去する場合に、ＰＭの除去を効率良く行うことができる。

　（２）さらに、本実施形態のプラズマリアクタ１では、外部端子６０，６１がケース１０外においてプラズマパネル積層体２０の上半分の領域に配置されている。その結果、プラズマリアクタ１に水が流入した際に、ケース１０内にある第１クランプ５０，５１が水没しにくくなるのに加えて、プラズマリアクタ１が水没した際に、ケース１０外にある外部端子６０，６１が水没しにくくなる。このため、第１クランプ５０，５１及び外部端子６０，６１の水没に起因するリーク電流の発生を防止することができる。

　（３）本実施形態のプラズマリアクタ１は、第１コーン部１１及び第２コーン部１２を介して排気管２に取り付けられている。その結果、排気管２の上流側部分４→第１コーン部１１→プラズマリアクタ１→第２コーン部１２→排気管２の下流側部分５の順番に排ガスが流れる排ガス流路内の抵抗が低減されるため、排ガス流路内における圧力損失を抑えることができる。ひいては、圧力損失に伴うエンジンの出力低下も防止することができる。

　なお、上記実施形態を以下のように変更してもよい。

　・上記実施形態のプラズマリアクタ１では、一対の外部端子６０，６１が、鉛直方向（Ｚ方向）に対して９０°の角度をなす方向（Ｙ方向）に突出していたが、一対の外部端子は、Ｙ方向とは別の方向に突出するものであってもよい。例えば、図８に示されるように、一対の外部端子７０，７１は鉛直方向（Ｚ方向）に突出していてもよい。

　・上記実施形態のプラズマリアクタ１では、一対の外部端子６０，６１が同一のガス非通過面２６上に配置されていたが、外部端子は、互いに異なるガス非通過面上に配置されていてもよい。例えば、図４に示されるように、２個の外部端子６０，６１が設けられている場合、一方の外部端子６０がガス非通過面２３上に配置されるとともに、他方の外部端子６１がガス非通過面２３とは別のガス非通過面２６上に配置されていてもよい。

　・上記実施形態の電極パネル３０は、誘電体３５に放電電極３６を内蔵することによって構成されていた。しかし、誘電体３５の表面に放電電極３６を形成することによって電極パネルを構成してもよい。

　・上記実施形態のプラズマリアクタ１は、自動車のエンジンの排ガス浄化に用いられていたが、例えば、船舶等のエンジンの排ガス浄化に用いてもよい。また、プラズマリアクタ１は、プラズマ処理を行うものであればよく、排ガスの処理を行うものでなくてもよいし、浄化に用いるものでなくてもよい。

　次に、請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。

　（１）上記手段１において、前記電気導通部材は、前記プラズマパネル積層体の下半分の領域には配置されていないことを特徴とするプラズマリアクタ。

　（２）上記手段１において、隣接する前記電極パネル間に、ガスが通過するガス流路が設けられ、前記ガス流路は、前記電極パネルの両端において開口する開口部を備えており、前記プラズマリアクタは、前記開口部が縦長となる縦置きのリアクタであることを特徴とするプラズマリアクタ。

　（３）上記手段１において、前記電極パネルは、第１主面及び第２主面を有しており、前記電極パネルにおける上側の領域に、前記第１主面側と前記第２主面側とを導通させる導通構造が設けられ、前記導通構造は、前記第１主面及び前記第２主面を貫通するスルーホール導体と、前記第１主面に形成され、前記スルーホール導体の前記第１主面側端部に電気的に接続される第１パッドと、前記第２主面に形成され、前記スルーホール導体の前記第２主面側端部に電気的に接続される第２パッドとを備えることを特徴とするプラズマリアクタ。

　（４）放電電極を有する複数の電極パネルを積層した構造を有し、隣接する前記電極パネル間に電圧が印加されたときにプラズマを発生するプラズマパネル積層体と、前記複数の電極パネルの前記放電電極に電気的に接続される電気導通部材とを備えるプラズマリアクタであって、前記複数の電極パネルの積層方向は、鉛直方向に対して９０°±４５°の角度をなし、前記電極パネルは、第１主面及び第２主面を有する略矩形板状をなしており、前記プラズマパネル積層体は、前記第１主面に設定される２本の対角線の交点を通過し、前記積層方向に平行であって、隣接する前記電極パネル間を流れるガスの通過方向に平行な仮想面を基準として、第１領域と第２領域とに分けられており、前記電気導通部材は、前記第１領域に配置されていることを特徴とするプラズマリアクタ。

　本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
　本出願は、２０１５年１２月９日出願の日本特許出願（特願２０１５－２４０４３８）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。