JP2001516636A - 気体媒質を処理するための反応装置 - Google Patents

気体媒質を処理するための反応装置

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Abstract

(57)【要約】 気体媒質、特に内燃機関の排気をプラズマ処理するための反応装置は、セラミクス材料の本体（２）からなる層及び電極（３，４）を有する。少なくとも１つの電極（３）は、それと支持構造の間のトラッキング又はアーク発生の危険性を避ける又は減少させるべく層内の接地された支持用構造から一定の距離をおいたところで終結している。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、気体媒質の処理、より特定的には、汚染物質の放出を低減させるた
めの内燃機関の排気ガス処理に関する。
【０００２】 我々の先行する特許ＧＢ第２,２７４,４１２号は、ＮＯX，一酸化炭素及び微 粒子といったような汚染物質の放出を低減させるべく内燃機関からの排気を処理
するための反応装置について開示している。反応装置の活性部分は、約数十キロ
ボルトの電位がそれを横断して適用される２つの気体透過性電極の間に収納され
た微粒子強誘電材料層である。酸化、特に放電援用酸化により微粒子を除去する
ことに加えて、ＮＯX還元の触媒として作用するべく適合されたペレットを使用 することによるＮＯXガスの窒素への還元が開示されている。
【０００３】 米国特許３,９８３,０２１；４,９５４,３２０及び５,１４７,５１６にも同様
に、幾分か類似したシステムが開示されている。
【０００４】 気体透過性層を内含するディーゼル排気微粒子フィルタの例は、欧州特許出願
ＥＰ００１０３８４号；欧州特許ＥＰ０２２４０６１号；ＥＰ０１１２６３４号
；ＥＰ０１３２１６６号及び米国特許４５０５,１０７号；４,４８５,６２２号 ；４,４２７,４１８号及び４,２７６,０６６号内に見い出される。
【０００５】 微粒子材料層の中を通過するにつれて排気ガス中に形成されるプラズマを利用
するシステムの場合に起こる問題点は、微粒子材料層を通しての電界の不均等な
分布に起因するプラズマの生成における不規則性、及び電極と反応装置構造の他
の部分との間のアーク発生又は電気トラッキングである。
【０００６】 本発明の目的は、内燃機関の排気処理用の改良型反応装置を提供することにあ
る。
【０００７】 本発明に従うと、電極として作用するように適合された少なくとも１つの気体
透過性部材ともう１つの気体透過性部材との間に収納された非導電性活性材料の
気体透過性層と活性材料の層を通って流れるよう処理すべき気体媒質の流れを拘
束するための手段とを含む反応装置チャンバから成る気体媒質のプラズマ処理用
反応装置において、活性材料の層が単数又は複数の気体透過性電極を超えて延び
、活性材料の層を通って流れるよう排気ガスを拘束するための手段から、前記単
数又は複数の電極を電気的に絶縁している反応装置が提供されている。
【０００８】 好ましくは、活性材料層は、自立形の構造を有している。適切な構造は、連続
気泡固体フォーム又はハニカム又は繊維状ブロック構造である。活性材料層が自
立形でない場合には、前記単数又は複数の電極を超えて延びる活性材料層の部分
は、電気的絶縁用耐熱部材の中に収納されている。例えば、反応装置が軸流構成
を有する場合には、単数又は複数の電極は、電気的絶縁用セラミクス材料の周辺
環を伴う導電性メッシュディスクを含んでいてよい。反応装置が半径流構成を有
し、単数又は複数の電極が単数又は複数の導電性メッシュシリンダの形をしてい
る場合には、このシリンダは、電気的絶縁用セラミクス端部部品で終結していて
よい。
【０００９】 好ましくは、一連の気体透過性電極は活性材料層内に埋め込まれ、電極は、望
ましい電界分布が活性材料層の中で作り上げられるような形で分布させられてい
る。好ましい一実施形態においては、電極は３つ（又はそれ以上）のグループの
形で配置され、３相（又はそれ以上の相）の交流電源に接続されている。
【００１０】 本発明の実施形態についてここで、添付図面を参照しながら例を用いて記述す
る。
【００１１】 ここで図１を参照すると、内燃機関からの排気ガスといったような気体媒質を
プラズマ処理するための反応装置層アセンブリ１の一部が示されている。反応装
置層アセンブリ１は、ハネカム又は連続気泡フォーム構造を有する活性アルミナ
といったようなセラミクス材料の本体２から成る円筒形反応装置層で構成されて
いる。セラミクス材料の本体は、２つの同心的なステンレス鋼製有孔又はメッシ
ュ電極３及び４の間に位置づけされている。セラミクス材料の本体２は、電極３
及び４の端部を超えて突出し、導電性カラー７により金属支持プレート６内に形
成された円形リセス５の中に位置づけられる。カラー７は同様に、外部電極４の
端部全体にわたってはめ込まれ、外部電極４，支持プレート６及び外部ケーシン
グ８を合わせて（大地電位で）接続するのに役立つ。１変形形態においては、外
部電極４は、支持プレート６内に直接置かれて良く、その場合、カラー７は必要
でない。内部電極３は、支持プレート６から一定の距離のところで終結し、かく
してそれとエンドプレートの間のトラッキング又はアーク発生が起こる確率は低
くなる。同一の配置が、反応装置層アセンブリのもう１方の端部に存在する。内
部電極３は、約数十キロボルトの電位の供給源（図示せず）に接続されるように
配置されており、外部電極４は、上述の通り大地に接続されるべく配置されてい
る。金属支持プレート６及び反応装置層アセンブリ１のもう１方の端部にある対
応する支持プレートは、反応装置層アセンブリ１を、その一部のみが示されてい
る反応装置ケーシング８の中に位置づけしている。支持プレート６は、反応装置
ケーシング８の対応する端部内で接続用ノズル（図示せず）と心合せされている
中央穴９を有する。図示されていないもう１つの支持プレートは、中央穴を全く
もたず、反応装置ケーシング８内で気密ばめとなるように配置されている。第２
の支持プレートの内向き表面に隣接して、半径方向に向いたノズルが存在する。
かくして、反応装置内で処理されるべき気体媒質が、セラミクス材料の本体２の
中を半径方向に流れるように拘束される。
【００１２】 さらに大規模には、支持プレート６は、主反応装置ケーシングが間に延びてい
る状態で気体処理反応装置のためのエンドフランジを含むことができる。
【００１３】 図２を参照すると、３相入力電源と共に使用するための半径方向気体流反応装
置層アセンブリ１の横断面が示されている。この場合、それぞれの内部及び外部
有孔電極３及び４は共に、接地されており、セラミクス材料の本体２全体を通っ
て規則的に分散されているのは、それぞれの３相電圧入力ラインＬ1，Ｌ2及びＬ 3 に接続されている３つの同心的円筒形有孔電極２１，２２及び２３である。
【００１４】 図３を参照すると、３相入力電源と共に使用するための第２の半径流反応装置
層アセンブリ１の横断面が示されている。この場合、内部及び外部電極３及び４
が接地されているだけでなく、それぞれ電極２１と２２及び２２と２３の間に、
さらなる接地された同心的有孔円筒形電極３１及び３２が介在させられている。
【００１５】 図４を参照すると、３相入力電源と共に使用するための第３の軸流反応装置層
アセンブリ１の横断面が示されている。この場合にも、内部及び外部電極３及び
４はそれぞれ接地されている。同心的中間電極は、各々が３相電源のラインのう
ちの１本に接続されている平行な規則的に間隔どりされたロッド電極４０１，４
０２及び４０３によって置換される。ロッド電極４０１，４０２及び４０３は、
中実又は中空であってよく、又、水冷式であっても、任意の適切な流体冷却材で
冷材されていてもよい。
【００１６】 図５を参照すると、図４に類似した配置が示されているが、３つの電極４０１
，４０２及び４０３は、図示通りに接続されている６つのロッド電極５０１，５
０２，５０３，５０４，５０５及び５０６によって置換されている。
【００１７】 図６を参照すると、３相電源と共に使用するための軸流反応装置層アセンブリ
１のもう１つの形態が示されている。この配置は全体的に、図４に示されている
ものと類似しているが、３本のロッド電極４０１，４０２及び４０３は、図示通
りに接続された３つの同一の不完全円筒形電極６０１，６０２及び６０３によっ
て置換されている。電極６０１，６０２及び６０３は中実又は中空で、水冷式で
あってよい。中実である場合、これらの電極を有孔材料で作り、処理中の気体媒
質の反応装置本体１を通る流れに対する障害を最小限にとどめることができる。
【００１８】 図７は、不完全円筒形電極７０１，７０２，７０３，７０４，７０５及び７０
６のもう１つの配置を示す。電極７０１，７０２，７０３，７０４，７０５及び
７０６は、共通ではあるものの異なる曲率半径を各々のグループが有する、３つ
の電極から成る２つのグループの形に配置されている。図６の配置の場合と同様
に、電極７０１，７０２，７０３，７０４，７０５及び７０６は、冷却式又は非
冷却式で中実又は中空、又は中実で有孔であってよい。電極７０１，７０２，７
０３，７０４，７０５及び７０６が中実又は中空である場合には、反応装置内で
処理中の気体媒質は、半径方向に流れることができず、内部電極３から外部電極
４へと蛇行した経路をとる。これは、反応装置の層アセンブリ内の活性材料本体
２中の気体媒質の滞留時間が延長さられるという点において有利でありうる。こ
の効果は、電極７０１，７０２，７０３，７０４，７０５及び７０６の幅を、確
実に一定の度合の重なり合いを発生させるようなものにすることによって、増強
させることができる。
【００１９】 図５及び７の電極は、３相電源に対を成して接続された状態で示されている。
しかしながら、望ましい場合には、各々の電極が別々の相を受けるように接続さ
れている状態で、６相電源を具備することもできる。
【００２０】 図８は、それぞれ入口及び出口ノズル８０２及び８０３を有する金属製、好ま
しくはステンレス鋼製のチャンバ８０１から成る軸流気体処理反応装置を示して
いる。チャンバ８０１に沿って規則的に間隔どりされているのは、使用中接地さ
れているチャンバ８０１に電気的に接続されている４つのステンレス鋼の格子８
０４，８０５，８０６及び８０７である。格子８０４，８０５，８０６及び８０
７の間の空間８０９，８１０，８１１の中心にあるのは、それぞれ電気的フィー
ドスルー８１５，８１６及び８１７を介して３相高圧電源（図示せず）に接続さ
れるように配置されている、それぞれのさらなる格子８１２，８１３及び８１４
である。格子８１２，８１３及び８１４は、チャンバ８０１の格子よりも小さな
直径を有し、このため格子８０４，８０５，８０６及び８０７間の空間８０９，
８１０及び８１１が、反応装置層８０８を形成するべく活性アルミナ（又はチタ
ン酸バリウム又はその他の強誘電体又は強誘電体と触媒材料の組合せ）といった
セラミクス活性材料のペレットで充てんされたとき、格子８１２，８１３及び８
１４により形成された高圧電極が反応装置層８０８内に埋込まれるようになって
いる。
【００２１】 図９は、横方向格子によって形成された２組の接地電極９０１及び最初と最後
の接地電極９０１の間に収納された反応装置層９０３の中に埋込まれた高電圧電
極９０２が存在するという点を除いて図８を参考にして記述したものと類似する
もう１つの軸流気体処理反応装置を示している。使用中、電気接続は、図に示さ
れている通りである。
【００２２】 図１０は、接地されたステンレス鋼製チャンバ１０４内に収納された気体透過
性活性セラミクス材料の本体１０３の中に埋込まれた３つの規則的に間隔どりさ
れた高圧電極１００，１０１及び１０２を有する、３相電源と共に使用するため
の第３の軸流気体処理反応装置を示す。図示されている通り、活性材料の本体１
０３は、例えば連続気泡ハニカム又はフォームといった自立形構造を有し、従っ
て、活性材料の本体１０３の各端部には、収納用のいかなる格子の必要性もない
。しかしながら、活性材料が粉粒体又はペレットの形をしている場合には、かか
る支持用格子を有することが必要であり、その場合には、それらはチャンバ１０
４に対して電気的に接続されている。
【００２３】 図１１は、活性材料の本体１１１の中に７つの高圧電極１１０が存在するとい
う点を除いて図１０のものに類似した、３相電源と共に使用するためのもう１つ
の軸流気体処理反応装置を示す。電極１１０は、図示されている通りに接続され
るように配置されている。
【００２４】 代替的には、図８〜１１に示されている高圧格子電極を、非導電性の、好まし
くはセラミクス材料の環の中にセットすることもできる。
【００２５】 図１２は、本発明の上述の実施形態のいずれかと共に使用するのに適した３相
電源を概略的に示している。３相昇圧変圧器１２１に印加される約１００ボルト
ｒｍｓの出力電圧を生成するように３相交流発電機１２０が配置されている。変
圧器１２１は、図示されている通り、約数十キロボルトの出力電圧を生成するよ
うに配置されている。電源のための適切な周波数は、キロヘルツ単位のものであ
る。
【００２６】 図１３は、反応装置層１を通って軸方向気体流を提供する第２の方法を示す。
図１３を参照すると、１３１と呼ばれる電極３及び４のための第２の支持プレー
トは中央穴をもたず、その周囲に配置された軸方向穴１３２の輪を有する。穴１
３２は、外部電極４と反応装置チャンバの壁８の間の空間内に開き、この空間を
軸方向出口１３３に連結している。この配置により、前述のものと同様、気体は
内部電極３の内部に入って、反応装置層２の中を半径方向に通過するようになっ
ている。
【００２７】 入口及び出口が反応装置チャンバ８からインライン配置になっているこの設計
は、内燃機関排気システムと共に使用するのに特に適している。
【００２８】 図２，３，８，９，１０及び１１の電極構成は、活性セラミクス材料層が異な
る特性の領域を有しているような配置に充分役立つものである。異なる特性をも
つこのような領域は、さまざまな形態及び目的を有する。これらは、格納用チャ
ンバ及び電極の組合せにより所定の位置に保持された活性材料の球、ペレット、
粉粒体などを含む層の中に最も容易に具備されるが、フォーム又はハニカムを異
なる特性をもつ領域を伴った形で構築することも可能である。
【００２９】 このとき提供される差異は、それぞれに高い誘電率の領域を提供すること又は
１つの領域では酸化触媒活性をそしてもう１つの領域内では還元触媒活性を提供
することといった、その目的に応じた活性材料の材料組成の相異でありうる。誘
電率は、例えば異なる粒度を使用することによって、領域間で変動しうる。これ
は、処理中の気体がススといったような微粒子を含有する場合に、これらの微粒
子を上流領域内で収集し層入口領域を閉塞させる傾向をもつのではなくむしろ層
の内部でより均等にこれをろ過して除去させることになるような、有用な特長で
ある。
【００３０】 領域間での層特性の差異によって提供されるもう１つの可能性は、それぞれの
領域の中で電界強度を制御するために有用でありうる誘電率の段階化である。例
えば、誘電率の半径方向の段階化により円筒形反応装置の半径方向の範囲を横断
する電界強度の均質性を改善することが可能である。
【００３１】 これらのさまざまな構成は、炭素質微粒子（例えばスス）、一酸化炭素、未燃
炭化水素及び窒素酸化物を含有する内燃機関からの排気ガスといった気体の処理
のために特に有用である。かくして有毒成分の削減又は除去には、ススのため込
み及び酸化、一酸化炭素及び未燃炭化水素の酸化から窒素酸化物の還元に至るさ
まざまな作用が必要とされる。かくして、段階化された層を通しての気体の流れ
は、これらの必要とされる作用が気体上で逐次的に発生するようにすることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を実施する反応装置の反応装置層形成部分の１つの端部の断面を表象的
に示す。
【図２】 ３相電源と共に使用するのに適した電極の配置及び、反応装置層を通して処理
されるべき気体の半径流を概略的に示している。
【図３】 ３相電源と共に使用するのに適した電極の第２の配置及び、反応装置層を通し
て処理されるべき気体の半径流を概略的に示している。
【図４】 ３相電源と共に使用するのに適した電極の第３の配置及び、反応装置層を通し
て処理されるべき気体の半径流を概略的に示している。
【図５】 ３相電源と共に使用するのに適した電極の第４の配置及び、反応装置層を通し
て処理されるべき気体の半径流を概略的に示している。
【図６】 ３相電源と共に使用するのに適した電極の第５の配置及び、反応装置層を通し
て処理されるべき気体の半径流を概略的に示している。
【図７】 ３相電源と共に使用するのに適した電極の第６の配置及び、反応装置層を通し
て処理されるべき気体の半径流を概略的に示している。
【図８】 ３相電源と共に使用するのに適した電極の配置及び、反応装置層を通して処理
されるべき気体の軸流を概略的に示している。
【図９】 ３相電源と共に使用するのに適した電極の第２の配置及び、反応装置層を通し
て処理されるべき気体の軸流を概略的に示している。
【図１０】 ３相電源と共に使用するのに適した電極の第３の配置及び、反応装置層を通し
て処理されるべき気体の軸流を概略的に示している。
【図１１】 ３相電源と共に使用するのに適した電極の配置及び、反応装置層を通して処理
されるべき気体の軸流を概略的に示している。
【図１２】 図２〜１１に示されている電極配置のいずれかと共に使用するのに適した３相
電源を示す。
【図１３】 本発明を実施する反応装置の層の代替的なもう１方の端部を概略的に示す。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年３月７日（２０００．３．７）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ) ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ， ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，Ｄ Ｋ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ， ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，Ｌ Ｖ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ， ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，Ｕ Ｓ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 ショウクロス ジェームズ ティモシー イギリス オックスフォードシャー オー エックス７ ３ティーエヌ チャールバリ ー ティックネル ピース ロード 27 (72)発明者 インマン マイケル イギリス オックスフォードシャー オー エックス14 ５エヌユー アービンドン ロングフェロー ドライヴ ２ Ｆターム(参考） 3G091 AB14 BA00 BA01 BA14 BA15 BA19 BA39 GA01 4D048 BB02 BB08 BB09 CA07 CC38 EA03 4G075 AA03 AA37 BA05 BD14 CA47 CA54 EE33 FB04 FC11

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電極として作用するように適合された少なくとも１つの気体
    透過性部材（３，４）と活性材料（２）の層（１）を通って流れるよう処理すべ
    き気体媒質の流れを拘束するための手段（６，８，９，１３１，１３３）との間
    に収納された非導電性活性材料（２）の気体透過性層（１）を含む反応装置チャ
    ンバから成る、気体媒質のプラズマ処理用反応装置において、活性材料（２）の
    層（１）が単数又は複数の気体透過性電極（３，４）を超えて延び、活性材料（
    ２）の層（１）を通って流れるよう排気ガスを拘束するための手段（６，８，９
    ，１３１，１３３）から前記単数又は複数の電極（３，４）を電気的に絶縁して
    いることを特徴とする反応装置。
  2. 【請求項２】 活性材料（２）の層（１）が、自立形の構造を有することを
    特徴とする請求項１に記載の反応装置。
  3. 【請求項３】 前記構造が、連続気泡固体フォーム又はハニカム又は繊維状
    ブロック構造であることを特徴とする請求項２に記載の反応装置。
  4. 【請求項４】 半径流用に構成されており、単数又は複数の電極（３，４）
    又はその各々が導電性メッシュシリンダを含むこと、を特徴とする請求項１〜３
    のいずれか１項に記載の反応装置。
  5. 【請求項５】 電極（３，４）のうち少なくとも１つが絶縁用セラミクス端
    部部品（７）で終結していることを特徴とする請求項４に記載の反応装置。
  6. 【請求項６】 軸流用に構成されており、単数又は複数の電極又はその各々
    が、活性材料（２）の層（１）のものよりも小さい横方向寸法をもつ導電性メッ
    シュディスク（８１２，８１３，８１４）を含むことを特徴とする請求項１〜３
    のいずれか１項に記載の反応装置。
  7. 【請求項７】 導電性メッシュディスク（８１２，８１３，８１４）の各々
    が、１層の非導電性材料の中心にセットされていることを特徴とする請求項６に
    記載の反応装置。
  8. 【請求項８】 活性材料（２）の層（１）の内部に複数の電極（２１，２２
    ，２３，Ｌ1，Ｌ2，Ｌ3）が埋設され、電極（２１，２２，２３，Ｌ1，Ｌ2，Ｌ3 ）は、活性材料（２）の層（１）の内部で予め定められた電界分布を提供するよ
    うに分布させられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の
    反応装置。
  9. 【請求項９】 電極（２１，２２，２３，Ｌ1，Ｌ2，Ｌ3）が３つ（又はそ れ以上）といった複数の電極グループの形で配置され、対応する多相（３相以上
    ）交流電源に接続されていることを特徴とする請求項８に記載の反応装置。
  10. 【請求項１０】 電極（２１，２２，２３，Ｌ1，Ｌ2，Ｌ3）が気体透過性 であることを特徴とする請求項８又は９に記載の反応装置。
  11. 【請求項１１】 電極として作用するように適合された少なくとも１つの気
    体透過性部材（３，４）と活性材料（２）の層（１）を通って流れるよう処理す
    べき気体媒質の流れを拘束するための手段（６，８，９，１３１，１３３）との
    間に収納された非導電性活性材料（２）の気体透過性層（１）を含む反応装置チ
    ャンバから成る、気体媒質のプラズマ処理用反応装置において、活性材料（２）
    の層（１）の内部に複数の電極（２１，２２，２３，Ｌ1，Ｌ2，Ｌ3）が埋設さ れ、電極（２１，２２，２３，Ｌ1，Ｌ2，Ｌ3）は、活性材料（２）の層（１） の内部で予め定められた電界分布を提供するように分布させられていることを特
    徴とする反応装置。
  12. 【請求項１２】 電極（２１，２２，２３，Ｌ1，Ｌ2，Ｌ3）が３つ（又は それ以上）の複数のもののグループの形で配置され、対応する多相（３相以上）
    交流電源に接続されていることを特徴とする請求項１１に記載の反応装置。
  13. 【請求項１３】 電極（Ｌ1，Ｌ2，Ｌ3）が、冷却材流体のその中の通過を 提供するように構築されていることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の反
    応装置。
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