JP2003190774A

JP2003190774A - 気体処理に適した放電電極

Info

Publication number: JP2003190774A
Application number: JP2001395159A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Nagasawa; 武長澤
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2001-12-26
Publication date: 2003-07-08

Abstract

(57)【要約】【課題】消費電力を少なくし、大気中において安定な
放電が起こし、低い放電電圧でＸ線の発生を抑えること
ができる放電電極とそれを利用した気体処理装置を提供
する。【解決手段】同軸円筒放電装置の外側の筒に孔を開け
たものであり、外側の筒と内側の軸にパルス電圧を印加
すると円筒効果による強力不平等電界が生じ、筒に開け
た孔の周囲に強電界が形成され、孔の円周と内側の軸の
間でパルス電源ににより放電させる。このような筒と軸
の間の放電は、３〜３．６ｋＶの低い放電電圧が実現す
ることができる。また、低い放電電圧でＸ線の発生を抑
えることができ、さらに、パルス電源を用いているので
電極の崩壊を防止や劣化を抑えることができる。また、
電極間隔１ｃｍで３〜５ｋＶで放電電流が１μＡ以下と
低いグロー・コロナ放電モードを起こすこともでき、Ｘ
線の発生を押さえるとともに、電極崩壊を生じない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は大気圧中での放電を
行う装置に関するものであり、特に低い電圧で放電を行
う装置に関する。

【０００２】

【背景技術】気体の処理や空気清浄に放電現象を使う技
術があり、既に実用化されている。大気圧中での放電方
式として火花放電が用いられるが、１０〜２０ｋＶと放
電電圧が高く、Ｘ線が発生して危険であることと、放電
領域が狭く気体への放電の作用が狭い空間に限定され
る、などの問題がある。図１は同軸円筒放電電極におけ
る放電を示す図である。この同軸円筒放電電極１０は、
例えば、図１に示すように外側にある導体の円筒電極１
１（内径４ｍｍ，長さ１００ｍｍ）と内側にある導体の
中心電極１２（直径２ｍｍ，長さ１２０ｍｍ）で構成し
ており、電源１５でパルス電圧を円筒電極１１と中心電
極１２に印加する。放電は、同軸円筒放電電極１０内の
任意の１点で火花放電（全路破壊）を起こし、短絡して
しまうので他の場所では放電を起こさない。一方、火花
放電にかえてグロー放電を使う場合でも、電圧を高くす
ると絶縁破壊を起こして火花放電（全路破壊）になりや
すく、放電個所が１点に集中し、空間的な放電領域が狭
いということや、全路破壊では規模の大きい高電流が流
れ、エネルギーが大きいために電極の損耗・崩壊を引き
起こす等の問題がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、消費
電力を少なくし、大気中において安定な広い空間領域で
放電を起こし、低い放電電圧でＸ線の発生を抑えること
ができる放電電極とそれを利用した気体処理装置を提供
することである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、大気圧で作動する放電電極であって、孔
を設けた円筒形の外筒電極と、該外筒電極の中心に設置
した円柱形の芯電極とにより、同軸円筒状電極に構成
し、大気圧中で放電を起こす。

【０００５】前記放電電極は、パルス電源に接続され、
前記外筒電極に設けた孔は、複数設けられており、前記
複数の孔から、前記同軸円筒状電極中に気体を通し、前
記同軸円筒状電極の孔の近傍に起こる火花放電で気体を
処理することができる。これにより、乖離エネルギーの
大きい気体に対し分解処理を施すことができる。さらに
複数の前記同軸円筒状電極およびそれに接続した電源を
設けることもできる。

【０００６】前記同軸円筒状電極を構成する２つの電極
の半径の比γをグロー・コロナが生じる条件

【数２】ただし、Ｒ：外筒電極内側の半径ｒ：芯電極半径を満たすように設定し、グロー・コロナ放電を起こすこ
とができる。また、前記電極は安定抵抗を介して電源に
接続され、前記外筒電極に設けた孔は、複数設けられて
おり、前記複数の孔から、前記同軸円筒状電極中に気体
を通し、グロー・コロナ放電により気体を処理すること
もできる。これにより、気体に対し分解等の処理を効率
よく施すことができる。また、同一の電源に並列に接続
した複数の同軸円筒状電極を設けることもできる。この
ような接続においても、消費電力はほとんど変わらずに
気体に対する処理量を増大することができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下では、図面を用いて本発明の
実施形態について詳細に説明する。図２は本発明の実施
形態の同軸円筒放電電極の構成例を示す図である。この
同軸円筒放電電極は、図１に示したものと同様の同軸円
筒放電電極の外側の筒に孔が開けられているもので、放
電とともに笛のような音を発生することから、横笛式同
軸円筒と呼ぶこともできる。同軸円筒放電電極２０は、
導体の円筒電極２３と内側にある導体の中心電極２４で
構成している横笛式同軸円筒電極であり、外側の円筒電
極２３に直径３ｍｍの２対の孔ａ_１，ａ_２とｂ_１，ｂ_２
とを開けたものである。また、外側の円筒電極２３と内
側の中心電極２４にはパルス電源として、バッテリ２６
が接続されているイグナイザ２７が取り付けてある。図
２の円筒電極２３と中心電極２４にパルス電圧を印加す
ると、外側の円筒電極２３に開けた孔の円周部分と内側
の中心電極２４の間で放電する。同軸円筒放電電極２０
の円筒電極２３，中心電極２４の間には、円筒効果で強
力不平等電界が形成され、また、円筒電極２３に開けた
孔の周囲に強電界が形成されることで、放電が起こりや
すくなり、３〜３．６ｋＶの低い放電電圧を実現するこ
とができるのである。図２の点線は形成されやすい放電
路を示している。また、低い放電電圧なので、Ｘ線の発
生を抑えることができ、さらにパルス電源で駆動するた
め、電極の崩壊を防止するのみでなく放電電極の劣化を
抑えることができる。そして、この同軸円筒電極を、後
で説明する気体の放電処理に用いた場合、気体が通る孔
の周囲で放電が起こるため、放電エネルギーを気体に効
率良く加えることができ、火花放電の問題を解決するこ
とができる。

【０００８】＜同軸円筒放電電極を用いた気体処理装置
＞次に、気体に火花放電によるエネルギーを加えると、
結合力の強い気体（例えばＣＯ_２等）が分解する性質を
利用し、同軸円筒放電電極によって気体を処理する装置
の説明をする。図３は、例えばアクリルの筒３１で同軸
円筒放電電極２５を囲み、気体処理装置を構成した場合
の、気体を流入したときの気体の流れを示す図である。
この気体処理装置３０は、例えば直径５０ｍｍ，長さ１
５０ｍｍのアクリルの筒３１で作製されていて、アクリ
ル板によって房Ａ，Ｂに別けられており、それぞれ気体
の流入口３２、流出口３４を設けてある。そして房Ａ，
Ｂを隔てるアクリル板を貫くように図２の同軸円筒放電
電極２５を内装しており、また同軸円筒放電電極２５の
両端はふたがされていて、気体の出入りはないようにし
てある。

【０００９】さて、気体が流入口３２から気体処理装置
３０内に入ると、矢印に示す通り、孔ａ_１，ａ_２から同
軸円筒放電電極２５内へ入り、後部の孔ｂ_１，ｂ_２から
出て、気体処理装置３０の流出口３４から外に排気され
る。放電は２対の孔ａ_１，ａ_２とｂ_１，ｂ_２の部分で起
こりやすく、流れる気体は２対の孔ａ_１，ａ_２やｂ_１，
ｂ_２のいずれかにおいて発生する放電の影響を受けやす
い構造になっている。また、このとき、上述のように放
電とともに笛のような音を発生する。しかし、同軸円筒
放電電極２５をアクリルの筒３１で囲っているので、気
体処理装置３０から発生する音は小さくなる。上記のよ
うな構成により、乖離エネルギーの大きい気体に対して
分離解処理を行うことができる。

【００１０】＜気体処理装置によるＣＯ_２の時間的減少
＞図４は放電によるＣＯ_２の時間的な減少を示すグラフ
である。１２６６ｃｃの容器にＣＯ_２ガスを８０００ｐ
ｐｍ入れ、図３に示す気体処理装置３０を設置して稼動
させ、大気圧で火花放電を行った。ＣＯ_２ガスは火花放
電によって図４のグラフに示すように分解され、ＣＯ_２
の減少量が時間とともに増大することがわかる。この図
４のグラフを見るとわかるように３０分の放電時間で約
１０００ｐｐｍのＣＯ_２が分解されたことを示してい
る。

【００１１】＜マフラーに用いた気体処理装置＞図５
は、同軸円筒放電電極で構成されている気体処理装置を
自動車等の排気ガスのマフラーに用いた構成例を示す図
である。気体処理装置４０は、図３の装置３０と同様に
２つの房に別けた中に、同軸円筒放電電極４１〜４６を
並べたものであり、マフラー４８と接続している。な
お、同軸円筒放電電極４１〜４６は電線によってそれぞ
れ別々の電源と接続されているが、図中では電線及び電
源は省略している。まず、マフラー４８から排気された
ガスを、直接気体処理装置４０に送り込み、同軸円筒放
電電極４１〜４６における孔の部位の放電によって分解
した後、気体を外部に排気する。この実施形態の例では
気体処理装置４０に６つの同軸円筒放電電極にしている
が、排気量に応じて放電電極を増やしてもよい。

【００１２】＜同軸円筒グロー・コロナ放電電極＞次に
同軸円筒グロー・コロナ放電電極について説明をする。
図６はアクリル板に固定された同軸円筒グロー・コロナ
放電電極の構成例を示す図である。この図６に示す同軸
円筒グロー・コロナ放電電極５０は、外側の円筒電極５
２と内側の中心電極５１で構成する。なお、この同軸円
筒グロー・コロナ放電電極５０は１つの電極で火花放電
（電気的にショート）が生じると他の電極では放電が生
じなくなる上述の火花放電とは異なり、１つの電源で複
数（マルチ）のグロー・コロナ放電電極を並列に接続す
ることができ、全ての電極において放電状態にすること
ができるのが特徴である。同軸円筒グロー・コロナ放電
電極５０は、外側の円筒電極５２は長さ２５ｍｍ、外径
１０ｍｍ、内径８ｍｍのステンレス製の筒、内側の中心
電極５１は長さ２０ｍｍ、直径２ｍｍのステンレス製の
ビスを用いている。また、図６において、この円筒電極
は２枚のアクリル板５４，５５に固定される。電極であ
る外側の円筒電極５２には気体が流出する孔ｃ_１，ｃ_２
（直径３ｍｍ）が２ヵ所開けてあり、この電極を気体処
理に用いるときは、気体は同軸円筒グロー・コロナ放電
電極５０の上部から流入する。また、各電極である中心
電極５１，円筒電極５２には安定抵抗５７を介して、電
圧２〜４ｋＶの交流電源５６が接続されている。グロー
・コロナが生じる条件は円筒電極５２の内径Ｒと中心電
極５１の半径ｒとの比γが

【数３】を満たすことである。図６に示した構成例では、

【数４】となり、［数３］の条件を満たしている。そして上記の
ようにグロー・コロナが生じる条件において、中心電極
５１と円筒電極５２に電圧を印加すると、放電は中心電
極５１であるビス近傍にグロー・コロナ状態が生成され
る。

【００１３】＜グロー・コロナ放電電極を用いた気体処
理装置＞図７は図６の同軸円筒グロー・コロナ放電電極
を用いた気体処理装置内の気体の流通経路を示す図であ
る。気体は必ず図６に示した同軸円筒グロー・コロナ放
電電極の中を通過する仕組みである。この図７の気体処
理装置６０は気体の流入口６６と流出口６８があり、気
体処理装置６０内は２枚の厚さ１０ｍｍのアクリル板６
１，６５によって房Ａ，Ｂ，Ｃと隔てられている。そし
て図６に示した同軸円筒グロー・コロナ放電電極７０は
２枚のアクリル板６１，６５を貫ぬいて固定されてい
る。また、同軸円筒グロー・コロナ放電電極の下には堆
積板６７が設けてある。なお、この図７では装置６０内
に同軸円筒グロー・コロナ放電電極７０が１つしか描か
れていないが、実際は用途に合わせた数を設けることが
できる。また、同軸円筒グロー・コロナ放電電極７０に
接続している配線、電源等は省略している。以下では、
常に同軸円筒グロー・コロナ放電電極７０に電圧が印加
され、気体を気体処理装置６０内に流入していることを
前提として実際の動作の説明をする。また、矢印は気体
の流れを示す。

【００１４】流入口６６から外部より気体を房Ａ内に流
入すると、同軸円筒グロー・コロナ放電電極７０の筒の
端の開口している下部から中に入る。気体は同軸円筒グ
ロー・コロナ放電電極７０内を流れる過程でプラズマ化
する。プラズマ化したとき、軽い物質は円筒電極７２に
開けられた直径３ｍｍの孔ｃ_１，ｃ_２から房Ｂ内に出
て、重い物質は堆積板６７に推積し、外部へ取り出すこ
とができる。アクリル板６１には房Ｂと房Ｃをつなげる
孔があいており、同軸円筒グロー・コロナ放電電極７０
から流通経路に沿って、アクリル板６１に開けてある孔
から房Ｃ内に流れ、そのまま流出口６８から外部へ流出
する。この装置は気体を必ず放電領域を通過するように
流すので効率よく気体を処理でき、さらには電極の数を
増やすほど気体の分解量が増大するが、消費電力はほと
んど変わらないのが特徴である。

【００１５】＜放電電極を用いた気体処理装置＞図８
は、エアーポンプを用いて気体処理装置６０内の同軸円
筒グロー・コロナ放電電極７０内に分離用気体を取り込
んで気体を分離するためのサイクル８０の構成例を示す
図である。これを用いて二酸化炭素（ＣＯ_２）およびエ
チレン（Ｃ _２Ｈ_４）を１個の電極または１３個の電極で
分解する例を以下に示す。このサイクル８０内の気体の
圧力は大気圧であり、房１８０内の気体はエアーポンプ
８４によって気体処理装置６０内の同軸円筒グロー・コ
ロナ放電電極７０内に送られる。この同軸円筒グロー・
コロナ放電電極７０は放電用電源１６０に接続されてい
るが、２００ｋΩの安定抵抗１６２によって同軸円筒グ
ロー・コロナ放電の範囲に電流が制限されるようになっ
ており、電極が１つの場合は０．２３ｍＡ、電極が１３
個の場合は０．２５ｍＡであった。また、放電用電源１
６０はトランスを用いて、電極が１つの場合は３．８ｋ
Ｖ、電極が１３個の場合は３．５ｋＶの５０Ｈｚの交流
を用いた。なお、気体の分解状態は房１８０内に設置し
てあるガスセンサー８２で測定する。

【００１６】（ＣＯ_２の分離）エアーポンプ８４と同軸
円筒グロー・コロナ放電電極７０を駆動し、ＣＯ_２の量
が初期状態で８０００ｐｐｍである房１８０内のＣＯ_２
の時間的減少を計測した。図９は電極が１個のときと１
３個のときの放電によるＣＯ_２の時間的減少を示すグラ
フである。このグラフより、時間ｔにおけるＣＯ_２の量
は電極が１個のときは８０００ｅ^{−０．００３４７ｔ}、
電極が１３個のときは８０００ｅ^−０． ^{００５６８ｔ}で
あり、電極が１３個の方が多量のＣＯ_２を分解してお
り、電極をマルチ型にした方が、効率が良いということ
がわかる。

【００１７】（Ｃ_２Ｈ_４の分離）Ｃ_２Ｈ_４の分離も上記
のＣＯ_２の分離と同様にしてある。Ｃ_２Ｈ_４の量が初期
状態で電極が１個のときは３０３ｐｐｍ、電極が１３個
のときは３３３ｐｐｍである房１８０内のＣ_２Ｈ_４の時
間的減少を計測した。図１０は電極が１個のときと１３
個のときの放電によるＣ_２Ｈ_４の時間的減少を示すグラ
フである。このグラフより、時間ｔにおけるＣ_２Ｈ_４の
量は電極が１個のときは３０３ｅ^−０．０ ^{０２２７ｔ}、
電極が１３個のときは３３３ｅ^{−０．０１３３ｔ}であ
り、やはり電極が１３個の方が多量のＣ_２Ｈ_４を分解し
ており、ＣＯ_２の分解の場合と同様に電極をマルチ型に
した方が、効率が良いということがわかる。

【００１８】＜他の実施形態＞上述のように、本発明の
実施形態の例で示したような放電装置を用いると、大気
圧中に小電力で安定なプラズマを広範囲に生成できる。
また、このプラズマ放電により、メタンの分解、空気の
殺菌等にも適することがわかっている。例えば、空気の
殺菌は病院等で活用することができる。図１１はその例
を示すもので、部屋内に吸引ポンプを接続した放電装置
を設置し、部屋内の気体の殺菌を行う構成を示す図であ
る。なお、矢印は空気の流れを示す。

【００１９】部屋１９０内の空気をエアー吸引ポンプ２
１０で放電装置２００に送る。送られた空気を放電装置
２００内で放電によって空気の分離による殺菌をした
後、再び部屋内に戻す。上述の例では吸引ポンプ２１０
と放電装置２００を部屋内に設置したが、放電装置２０
０を部屋外に設置し、吸引ポンプ２１０により部屋内の
空気を吸い出して放電装置２００に送り、放電装置２０
０内で殺菌をした後、殺菌した空気を再び部屋内に戻す
ようにしてもよい。

【００２０】

【発明の効果】上述のように本発明は、大気中で安定な
放電が起こせること、放電エネルギーを気体に効率良く
加えることができるので、気体処理用の放電電極として
も有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】同軸円筒放電装置における放電を示す図であ
る。

【図２】同軸円筒放電装置及び電源との接続を示す図
である。

【図３】アクリルの筒で囲んだ同軸円筒放電装置内に
気体を流入したときの気体の流れを示す図である。

【図４】放電によるＣＯ_２の時間的な減少を示すグラ
フである。

【図５】気体処理装置を自動車等の排気ガスの排気部
へ接続するシステムを示す図である。

【図６】アクリル板に固定された同軸円筒グロー・コ
ロナ放電装置を示す図である。

【図７】気体処理装置内の気体の流通経路を示す図で
ある。

【図８】同軸円筒グロー・コロナ放電装置を用いて気
体を分離するための構成を示す図である。

【図９】放電によるＣＯ_２の時間的減少を示すグラフ
である。

【図１０】放電によるＣ_２Ｈ_４の時間的減少を示すグ
ラフである。

【図１１】部屋内の気体の殺菌を行う構成を示す図で
ある。

【符号の説明】

１０同軸円筒放電電極１１円筒電極１２中心電極１５電源２０横笛式同軸円筒放電電極２３円筒電極２４中心電極２５同軸円筒放電電極２６バッテリ２７イグナイザ３０気体処理装置３１アクリルの筒３２流入口３４流出口４０気体処理装置４１〜４６同軸円筒放電電極４８マフラー５０同軸円筒グロー・コロナ放電電極５１中心電極５２円筒電極５４，５５アクリル板５６交流電源５７安定抵抗６０気体処理装置６１，６５アクリル板６６流入口６７堆積板６８流出口７０同軸円筒グロー・コロナ放電電極７１中心電極７２円筒電極８０サイクル８２ガスセンサー８４エアーポンプ１６０放電用電源１６２安定抵抗１８０房１９０部屋２００放電装置２１０エアー吸引ポンプ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】大気圧で作動する放電電極であって、孔を設けた円筒形の外筒電極と、該外筒電極の中心に設置した円柱形の芯電極とにより、
同軸円筒状電極に構成し、大気圧中で放電を起こすことを特徴とする放電電極。
【請求項２】請求項１記載の放電電極を用いた気体処
理装置であって、前記放電電極は、パルス電源に接続され、前記外筒電極に設けた孔は、複数設けられており、前記複数の孔から、前記同軸円筒状電極中に気体を通
し、前記同軸円筒状電極の孔の近傍に起こる火花放電で
気体を処理することを特徴とする気体処理装置。
【請求項３】請求項２記載の気体処理装置において、複数の前記同軸円筒状電極およびそれに接続した電源を
設けたことを特徴とする気体処理装置。
【請求項４】請求項１に記載の放電電極において、前記同軸円筒状電極を構成する２つの電極の半径の比γ
をグロー・コロナが生じる条件【数１】ただし、Ｒ：外筒電極内側の半径ｒ：芯電極半径を満たすように設定し、グロー・コロナ放電を起こすことを特徴とする放電電
極。
【請求項５】請求項４記載の放電電極を用いた気体処
理装置であって、前記電極は安定抵抗を介して電源に接続され、前記外筒電極に設けた孔は、複数設けられており、前記複数の孔から、前記同軸円筒状電極中に気体を通
し、グロー・コロナ放電により気体を処理することを特徴と
する気体処理装置。
【請求項６】請求項４または５に記載の気体処理装置
において、同一の電源に並列に接続した複数の同軸円筒状電極を設
けたことを特徴とする気体処理装置。