JP2003190774A - 気体処理に適した放電電極 - Google Patents

気体処理に適した放電電極

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JP2003190774A JP2001395159A JP2001395159A JP2003190774A JP 2003190774 A JP2003190774 A JP 2003190774A JP 2001395159 A JP2001395159 A JP 2001395159A JP 2001395159 A JP2001395159 A JP 2001395159A JP 2003190774 A JP2003190774 A JP 2003190774A
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Takeshi Nagasawa
武 長澤
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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,aとb,b
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,aから同
軸円筒放電電極25内へ入り、後部の孔b,b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,aとb,bの部分で起
こりやすく、流れる気体は2対の孔a,aやb
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の時間的減少
>図4は放電によるCOの時間的な減少を示すグラフ
である。1266ccの容器にCO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
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,c
(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,c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)およびエ
チレン(C )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の量
が初期状態で8000ppmである房180内のCO
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
あり、電極が13個の方が多量のCO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の分離)Cの分離も上記
のCOの分離と同様にしてある。C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
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を分解し
ており、CO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の時間的減少を示すグラフ
である。
【図10】 放電によるC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 (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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。
  2. 【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。
  3. 【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。
  4. 【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。
  5. 【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。
  6. 【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。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102371001A (zh) * 2010-08-23 2012-03-14 高斯明 双地极气体净化高能电场装置及气体高能放电净化方法
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