JP2004089753A

JP2004089753A - ガス分解装置

Info

Publication number: JP2004089753A
Application number: JP2002250690A
Authority: JP
Inventors: Akira Yamaguro; 山黒　顕; Yoshinobu Nakano; 中野　吉信
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2004-03-25

Abstract

【課題】回転電極を備え、筒体と軸の間のガスが流動する空間にみかけのプラズマ放電面を形成することで、ガスの分解効率が高く、また分解量を制御でき、圧力損失の少ないガス分解装置を提供すること。
【解決手段】第２の電極を兼ね備えた筒体１と、筒体１内に同軸上に配置された軸２と、軸２を回転する回転装置３（回転手段）と、筒体１と軸２の間で被処理物質であるガスが流動する空間４と、回転装置３により回転する軸２に空間４に突出して固設した第１の電極である回転電極５と、回転電極５と第２の電極を兼ね備えた筒体１に電位差を付与して空間４にプラズマ放電を発生する電源装置６とからなる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転電極を備え、筒体と軸の間のガスが流動する空間にみかけのプラズマ放電面を形成し、ガスを分解するガス分解装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明の背景を述べると、大気環境改善技術として放電技術が、従来の触媒法や石灰法などの化学処理技術に加え研究されるようになった。始まりは２０世紀初頭の電気集じん技術であり、電子あるいは一部イオンなどのエネルギーと分子のエネルギーが異なる非平衡状態が実現できることから従来の化学反応の促進、あるいは反応の高速化が期待できることからガス状汚染物質処理への応用が注目され、現実に研究されるようになった。プラズマの形態は、プラズマトーチやアークで代表される高温プラズマ、コロナ放電、無声放電、沿面放電などの低温プラズマに分けられる。高温プラズマを使った分解は、フロン分解などで実用化され、また、アルミナセラミックを利用した沿面放電型リアクタが高濃度オゾン発生に用いられている。放電による有害物質分解の実用化のための要件は、分解反応の高効率化、低コスト化、有害な副生成物がない、コンパクト化などであり、産学において盛んに技術開発が行われている。ここで、分解反応の高効率化のための方策のひとつは、被処理ガスを、電極間で放電によりプラズマ化した領域に確実に接触させることであり、電極間への整流作用を持つ誘電体の挿入、スパイラル流れの形成による滞留時間の長時間化などが実施されている。
【０００３】
本発明に関する第１の従来技術として、特開２００１−３１４７５１号公報に開示されたものがある。図９の第１の従来技術では、相対向する第１の金属平板型電極１１１及び第２の金属平板型電極１１２と、第１及び第２の電極１１１、１１２間に介装される誘電体１１３と前記第１及び第２の電極１１１、１１２間に高電圧を印加して、導入したガス１１４を電極１１１、１１２間のプラズマ分解領域１１５で分解するプラズマ反応器において、第１及び第２の電極１１１、１１２と誘電体１１３とをドーナツ円盤状にして積層配置すると共に、これらドーナツ円盤状の前記第１及び第２の電極１１１、１１２の間の隙間の内周側及び外周側にそれぞれ流通するガス流路を設けたものである。これにより、反応容器のコンパクト化と同時に容器内を通過するガスの流速分布を均一にすることができ、反応の効率化が図れる。
【０００４】
また、本発明に関する第２の従来技術として、特開２００１−３１４７５２号公報に開示されたものがある。図１０の第２の従来技術では、相対向する第１の平板型電極１２１及び第２の平板型電極１２２と、これら第１及び第２の電極１２１、１２２間に介装される誘電体１２３と、第１及び第２の電極１２１、１２２間に電位差を付与する電位差付与手段とを備えてなり、第１及び第２の電極１２１、１２２間に高電圧を印加して導入したガスを電極１２１、１２２間のプラズマ分解領域で分解するプラズマ反応容器において、誘電体１２３の表面の両面またはいずれか一方に凸状部を複数形成するもので、反応容器内を通過するガス１２４の流速分布を均一とし、高流速部（空間中心部）のプラズマ中におけるガスの滞留時間を長くすることによって反応の高効率化が図れる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
第１、２の従来技術は、プラズマ化された電極間を通過するガスの反応効率を上げるものであり、電極１１１、１１２、１２１、１２２間に整流および分散放電を可能とする形状の誘電体１１３、１２３を配するものである。誘電体１１３、１２３が電極１１１、１１２、１２１、１２２間に密に配され、且つ、流量を確保するためには、通常ガス供給圧力を上げる必要があり、例えばコンプレッサなどの昇圧装置が必要になる。また、実際には誘電体１１３、１２３を隙間無く詰め込むことは圧力損失の問題から困難であるが、仮にできたとしても放電は電極間を点や線で結ぶ放電プラズマであり、その間をすり抜けるガスは存在することから、効率を上げるためには、ガス流量に適合した電極長が不可欠となり、大きさに制約がある場合、流量も制約を受けることになる。
【０００６】
本発明は、回転電極を備え、筒体と軸の間のガスが流動する空間にみかけのプラズマ放電面を形成することで、ガスの分解効率が高く、また分解量を制御でき、圧力損失の少ないガス分解装置を提供することを発明の課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための請求項１の発明は、「筒体と、前記筒体内に同軸上に配置された軸と、前記筒体又は前記軸のいずれかを回転する回転手段と、前記筒体と前記軸の間で被処理物質であるガスが流動する空間と、前記回転手段により回転する前記筒体または前記軸のいずれかに前記空間に突出して固設した第１の電極である回転電極と、前記回転電極と相対向して他方の電極を成す前記筒体または前記軸に備えられた第２の電極と、前記回転電極と前記第２の電極に電位差を付与して前記空間にプラズマ放電を発生する電源装置とからなること」を特徴とする。
【０００８】
請求項１の発明では、プラズマ放電が線（放電線）から面（みかけのプラズマ放電面）になるよう、回転電極（第１の電極）を回転させたことである。回転電極の回転数を増加すると、プラズマ放電が放電線からみかけのプラズマ放電面に移行し、そこを通過する被処理物質であるガスはプラズマ放電と確実に接触するため、プラズマ放電エネルギーにより誘起される化学反応により高効率で分解される。尚、本発明は低温プラズマまたは高温プラズマのいずれにも適用できる。
【０００９】
また、上記課題を解決するための請求項２の発明は、「前記回転手段により回転する前記回転電極の回転速度によりガスの分解量を制御すること」を特徴とする。
【００１０】
請求項２の発明では、回転電極の回転数によりガスの分解量を変化させることができる。したがって、ガスの分解処理量が多いときには、回転電極の回転数を増加することで対応できる。従来技術の特徴である、放電領域への誘電体を挿入することによる圧力損失上昇を防止できると同時に、装置の小型化が可能になる。
【００１１】
また、上記課題を解決するための請求項３の発明は、「ガスを前記空間に送風するための送風ファンを備えること」を特徴とする。
【００１２】
回転する筒体又は軸に送風能力をもつ送風ファンを取り付けることで、被処理物質であるガスの強制吸排気ができ、且つ、例えば自動車等の排ガス処理に適用する場合、従来技術では圧力損失が高いためエンジンの吸排気バランスが悪くなり運転能力低下を引き起こす恐れがあるが、回転電極に送風ファンを装備しエンジンに悪影響を与えない条件で稼動させることで、筒体と軸の間のガスが流動する空間の圧力損失を相殺することができる。
【００１３】
また、上記課題を解決するための請求項４の発明は、「前記回転電極は送風ファンを兼ね備えること」を特徴とする。
【００１４】
また、回転電極の電極形状をファンの形状とすることで、ガスの強制吸排気ができ、且つ、装置の小型化が可能になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の回転電極を有するガス分解装置を詳述する。
【００１６】
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態の回転電極を有するガス分解装置である。第２の電極を兼ね備えた筒体１と、筒体１内に同軸上に配置された軸２と、軸２を回転する回転装置３（回転手段）と、筒体１と軸２の間で被処理物質であるガスが流動する空間４と、回転装置３により回転する軸２に空間４に突出して固設した第１の電極である回転電極５と、回転電極５と第２の電極を兼ね備えた筒体１に電位差を付与して空間４にプラズマ放電を発生する電源装置６とからなる。
【００１７】
回転電極５は腐食しない導電性の合金等からなる針状の第１の電極である。針状以外にも棒状または筒状の形状がある。回転電極５は軸２に溶接等で固定され回転制御される。筒体１は、腐食しない導電性の合金等からなり、第２の電極を兼ね備える。第１実施形態においては、筒体１に第２の電極としての機能を具備させたが、第２の電極を別体として設けてもよい。また、第１の電極である回転電極５と第２の電極である筒体１の表面にＴｉＯ２などの触媒を担持させることで、電極表面での被処理物質であるガスの分解効果を高めることができる。電源装置６は回転電極５と第２の電極を兼ね備えた筒体１に電位差を付与して空間４にプラズマ放電を発生させるが、プラズマ放電の形態に応じて、直流または交流電圧が供給できる。本発明では、回転装置３はガス分解装置の内部に設けられるが、外部に直結並びにベルト等の伝達機構を介して設けてもよい。さらに、自動車の排ガスの分解においては、排ガスのエネルギーを利用して送風ファン９（図４）を回すことで、回転電極５を回転すための回転装置３の省略、及び省へエネルギー化が可能である。
【００１８】
図２は、ガス分解装置のＸ−Ｘ断面における空間４での停止から高速回転までのプラズマ放電の状態である。（ａ）は停止状態で、回転電極５と筒体１（第２の電極）で線状の線放電７が発生する。しかし、被処理対象のガスが線放電７により分解される範囲は僅かであり処理効率は低い。（ｂ）は回転電極５の低速回転状態で、線状の線放電７が空間４の全周に渡り発生する。（ｃ）は回転電極５の高速回転状態で、空間４にみかけのプラズマ放電面８が形成される。このみかけのプラズマ放電面８の領域に、被処理物質のガスを導入することでプラズマ放電とガスが接触して、高効率にガスを分解処理できる。
【００１９】
図３は、第１実施形態でアンモニアを分解した試験結果である。被処理物質のアンモニア１０ｐｐｍ（バランスガスは窒素）で、ガスの流量は１０Ｌ／分である。また電源装置６の電圧は４ｋＶで、周波数２０ｋＨｚである。ガスの分解量（分解率）は回転電極５の回転数の増加と共に向上する。
【００２０】
本発明の第１実施形態では、プラズマ放電が線放電７からみかけのプラズマ放電面８になることで、回転電極５の回転数の増加に伴い、そこを通過する被処理物質であるガスはプラズマ放電と確実に接触し、プラズマ放電エネルギーにより誘起される化学反応により高効率で分解される。尚、本発明は低温プラズマまたは高温プラズマのいずれにも適用できる。
【００２１】
（第２実施形態）
図４は本発明の第２実施形態で、第１実施形態との違いは軸２と一体の送風ファン９を設けたことである。その他の部分については第１実施形態と同一であり、共通する部分については同一の符号を用いる。
【００２２】
第２実施形態では、被処理物質であるガスを強制送風する装置を別体で設けていない場合に有用である。回転装置３により回転する軸２に送風能力をもつ送風ファン９を取り付けることで、被処理物質であるガスの強制吸排気ができる。また、外部に別体で送風ファンを設ける場合と比べてガス分解装置をコンパクトにできる。
【００２３】
（第３実施形態）
図５は本発明の第３実施形態で、第２実施形態との違いは回転電極５及び送風ファン９の回転にモータ以外の動力を用いることである。その他の部分については第２実施形態と同一であり、共通する部分については同一の符号を用いる。
【００２４】
自動車等排ガスを強制的に排出できる機構をもつ装置からの排ガスを処理する場合において、軸２に一体に付加された送風ファン９をエンジンからの排ガスのエネルギーを用いて回転することで、モータで回転させるためには必要であった電力を消費することなく回転電極５を回転できる。従来技術では誘電体による圧力損失が大きいためエンジンの吸排気バランスが悪くなり運転能力低下を引き起こす恐れがあるが、回転電極５に送風ファン９を装備しエンジンに悪影響を与えない条件で稼動させることで、空間４での圧力損失を相殺することができる。
【００２５】
（第４実施形態）
図６は本発明の第４実施形態で、第１実施形態との違いは軸２に付加した回転電極５を複数段設けたことである。その他の部分については第１実施形態と同一であり、共通する部分については同一の符号を用いる。
【００２６】
軸２に回転電極５ａ、５ｂ、５ｃを各段に設けると、被処理物質であるガスは第１段のみかけのプラズマ放電面８ａで分解され、残りのガスが第２段、第３段のみかけのプラズマ放電面８ｂ、８ｃで分解される。したがって、複数段のみかけのプラズマ放電面８ａ、８ｂ、８ｃを通過することで、ほぼ１００％に近い被処理物質のガスを分解することが可能になる。
【００２７】
（第５実施形態）
図７は本発明の第５実施形態で、第２実施形態との違いは送風ファンの機能を兼ね備えた回転電極５ａを用いたことである。その他の部分については第２実施形態と同一であり、共通する部分については同一の符号を用いる。
【００２８】
回転電極５ａの形状を送付ファンの形状とすることで、送風ファンを別途設けなくてもガスの強制吸排気ができ、且つ、装置の小型化が可能になる。尚、この回転電極５ａのファン形状、回転電極５ａの数等の仕様は被処理物質であるガスの量により適合される。
【００２９】
（第６実施形態）
図８は本発明の第６実施形態で、第１実施形態との違いは筒体１に固設した回転電極５を回転装置３により回転することである。その他の部分については第１実施形態と同一であり、共通する部分については同一の符号を用いる。
【００３０】
筒体１ａに固設した第１の電極の回転電極５は回転装置３により筒体１ａと共に回転する。軸２は第２の電極の働きをする。第６実施形態は第１実施形態の軸２に固設した回転電極５を筒体１ａに変更したのものであり、第１実施形態と同様の作用効果を奏する。
【００３１】
【発明の効果】
本発明では、回転電極を備え、筒体と軸の間のガスが流動する空間にみかけのプラズマ放電面を形成することで、ガスの分解効率が高く、また分解量を制御でき、圧力損失の少ないガス分解装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の第１実施形態の回転電極を有するガス分解装置である。
【図２】図２は、ガス分解装置のＸ−Ｘ断面における空間４での停止から高速回転までのプラズマ放電の状態である。
【図３】図３は、第１実施形態のアンモニアを分解した試験結果である。
【図４】図４は本発明の第２実施形態で、軸と一体の送風ファンを設けたものである。
【図５】図５は本発明の第３実施形態で、回転電極及び送風ファンの回転にモータ以外のエネルギーを使うものである。
【図６】図６は本発明の第４実施形態で、軸に付加した回転電極を複数段設けたものである。
【図７】図７は本発明の第５実施形態で、送風ファンの機能を兼ね備えた回転電極を用いたものである。
【図８】図８は本発明の第６実施形態で、筒体に固設した回転電極を回転装置により回転するものである。
【図９】図９は、第１の従来技術である。
【図１０】図１０は、第２の従来技術である。
【符号の説明】
１　　筒体（第２の電極）
２　　軸
３　　回転装置（回転手段）
４　　空間
５　　回転電極（第１の電極）
６　　電源装置
７　　プラズマ放電（線放電）
８　　みかけのプラズマ放電面
９　　送風ファン

Claims

筒体と、前記筒体内に同軸上に配置された軸と、前記筒体又は前記軸のいずれかを回転する回転手段と、前記筒体と前記軸の間で被処理物質であるガスが流動する空間と、前記回転手段により回転する前記筒体または前記軸のいずれかに前記空間に突出して固設した第１の電極である回転電極と、前記回転電極と相対向して他方の電極を成す前記筒体または前記軸に備えられた第２の電極と、前記回転電極と前記第２の電極に電位差を付与して前記空間にプラズマ放電を発生する電源装置とからなること、を特徴とする回転電極を有するガス分解装置。
前記回転手段により回転する前記回転電極の回転速度により被処理物質であるガスの分解量を制御すること、を特徴とする請求項１に記載の回転電極を有するガス分解装置。
ガスを前記空間に送風するための送風ファンを備えること、を特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の回転電極を有するガス分解装置。
前記回転電極は送風ファンを兼ね備えること、を特徴とする請求項３に記載の回転電極を備えるガス分解装置。