JP2004314075A - 放電ガス処理装置の放電管設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 円筒状の外側電極内に線状の内側電極を同軸状に配置した放電管において安定なパルスコロナ放電を容易に実現することができる放電ガス処理装置の放電管の設計方法を提供する。
【解決手段】 円筒状の外側電極４内に線状の内側電極６を同軸状に配置した放電管２の内側電極６の外半径ｒに対する外側電極４の内半径Ｒの比Ｒ／ｒを求め、この比Ｒ／ｒが３０より大になるように外側電極４の内半径Ｒおよび内側電極６の外半径ｒを設定する。【選択図】 図１

Description

この発明は、パルスコロナ放電によってガスを放電処理する、例えばＮＯｘ、ＳＯｘ、硫化水素、アンモニア等の有害物質の除去や、悪臭物質を含むガスの脱臭等を行う放電ガス処理装置の放電管設計方法に関し、より具体的には、放電管において安定なパルスコロナ放電を容易に実現する手段に関する。

不平等な電界を発生する対向電極間に、ＮＯｘ、ＳＯｘ、硫化水素、アンモニア等の有害物質や悪臭物質を含むガスを導入し、対向電極間に極短パルス電圧（パルス幅がμｓオーダー以下）を印加することでガス中でパルスコロナ放電を形成せしめ、パルスコロナ放電による有害物質や悪臭物質の活性化および生成ラジカルによる化学反応を利用して、有害物質の除去や悪臭物質の脱臭等を行う放電ガス処理装置が既に提案されている（例えば、特許文献１参照）。不平等な電界を発生させるのは、非破壊放電であるコロナ放電を発生させるためである。

特開昭６２−２８９２４９号公報（第４頁左下欄、同右下欄、第１図）

放電によるガス中の有害物質や悪臭物質の処理において中心的な役割を果たすのは、放電中の高速電子である。高速電子によって有害物質や悪臭物質の無害化に有効なラジカル類が発生すると共に、有害物質や悪臭物質の分解または改質が行われ、有害物質や悪臭物質の無害化、除去等が行われる。

不平等な電界を発生する対向電極間に印加する電圧が高いほど、放電中の高速電子の割合が増加するので、ガス中の有害物質や悪臭物質の処理効率が向上する。

一方、印加電圧を高くし過ぎると、放電がコロナ放電からアーク放電に移行し、ガス中の有害物質や悪臭物質の処理効率が著しく低下する。

この場合、コロナ放電からアーク放電に移行するしきい値となる電圧は、印加する電圧を極短パルス化することによって高くとることができる。また、印加電圧を極短パルス化することによって、投入放電電力の内で、重くて移動度の低いイオン類の加速に消費される電力の割合が減り、軽くて移動度の高い電子の加速に電力が有効に消費される。従って、印加電圧を短パルス化することによって、ガス中の有害物質や悪臭物質の処理効率が向上する。

対向電極間に不平等な電界を形成する形態は種々提案されているが、中でも、ガス処理能力を容易に向上できる（即ちスケールアップが容易である）という観点および製作上容易であるという観点から、図２に示す例のように、円筒状（円管状とも言える。以下同じ）の外側電極４内に、当該外側電極４よりも細い線状の内側電極６を同軸状に配置した同軸円筒状の放電管２を１ユニットとして用いるのが簡素で実用性に富んでいる。このような構成では、半径が小さくて電界の集中する内側電極６が高電界側になり、半径の大きい外側電極４が低電界側になる。即ち、内側電極６がコロナ電極（コロナが進展する電極）となり、外側電極４が非コロナ電極となる。

このような放電管２の両電極４、６間にガス源１０から処理しようとするガス１２を導入し、かつ両電極４、６間にパルス電源１４からパルス電圧Ｖ_P を印加して放電管２内のガス１２中でパルスコロナ放電８を形成せしめることによって、ガス１２を放電処理することができる。パルス電圧Ｖ_P は、通常は正パルスであるが負パルスでも良い。

前述のとおり、パルスコロナ放電によるガス中の有害または悪臭物質の無害化、除去等を行う装置では、いかにアーク放電を抑制しながら高い電圧を電極間に印加するかということが重要となる。パルスコロナ放電の本質は非破壊放電であり、対向電極間にいかに好適な不平等電界を作り込むかということが重要な要素である。しかるに、外側電極４の大きさと内側電極６の大きさをどのように設定すれば、パルスコロナ放電に好適な不平等電界を作り込めるかという点については従来は明らかでなかった。

例えば、同軸円筒状の放電管における直流コロナ放電の場合については、静的電界分布による理論解析と実験結果に良い一致が見られ、外側電極の内半径Ｒと内側電極の外半径ｒとの比Ｒ／ｒが３より小さければコロナ放電が安定に生じないが、Ｒ／ｒが３以上であればコロナ放電が安定に生じるとされている。例えば、「高電圧工学」大木正路著、槇書店、１９９２年６月２０日第１版８刷、頁８６〜８９参照。

しかるに、パルスコロナ放電の場合、本願の発明者達の実験によると、円筒状外側電極の内直径を４０ｍｍ（換言すれば内半径を２０ｍｍ）、線状内側電極の外直径を３ｍｍ（換言すれば外半径を１．５ｍｍ）として、比Ｒ／ｒが１３．３となるような構造の放電管において、両電極間にガスの一例として乾燥空気（ほぼ大気圧）を流し、両電極間にパルス電源からパルス幅２００ｎｓのパルス電圧を繰り返し（繰り返し率１０００ｐｐｓまで）印加しても、パルスコロナ放電による放電電力投入開始電圧とアーク発生電圧との境界が不明瞭で、放電管に対して安定なパルスコロナ放電による放電電力投入が困難であるという結果が得られた。ここで、「パルスコロナ放電による放電電力投入開始電圧」と言うのは、一般のガス処理ではガス単位体積当たりに０．１〜１Ｗｈ／Ｎｍ³ 程度以上の放電電力投入が必要とされており、この程度の放電電力投入が可能になる印加電圧の意味である。

つまり、公知の直流コロナ放電の設計指針に従ったのでは、安定なパルスコロナ放電による放電電力投入が容易ではないという課題があった。

そこでこの発明は、円筒状の外側電極内に線状の内側電極を同軸状に配置した放電管において安定なパルスコロナ放電を容易に実現することができる放電ガス処理装置の放電管の設計方法を提供することを主たる目的とする。

この発明に係る放電ガス処理装置の放電管設計方法の一つは、円筒状の外側電極内に線状の内側電極を同軸状に配置した放電管の内側電極の外半径（ｒ）に対する外側電極の内半径（Ｒ）の比（Ｒ／ｒ）を求め、この比（Ｒ／ｒ）が３０より大になるように前記外側電極の内半径（Ｒ）および前記内側電極の外半径（ｒ）を設定することを特徴としている。

種々の実験の結果、上記のようにすることによって、両電極間におけるパルスコロナ放電開始電圧とアーク発生電圧との境界が明瞭になり、両電極間において容易に安定なパルスコロナ放電を発生させ得る放電管を実現することができることを見出した。

この発明によれば、円筒状の外側電極内に線状の内側電極を同軸状に配置した放電管を構成する内側電極の外半径に対する外側電極の内半径の比を求め、この比が３０より大になるように両電極の外半径および内半径を設定するので、両電極間におけるパルスコロナ放電開始電圧とアーク発生電圧との境界が明瞭になり、両電極間において安定なパルスコロナ放電を容易に実現することができると共に、ガス処理に好適な放電電力の投入が容易になる放電管を実現することができる。

前記比を４０〜５０にすると、安定なパルスコロナ放電を容易に実現することができると共に、印加パルス電圧の波高値を大きく取って高速電子の割合を高めてより高いガス処理効率を得ることができる放電管を実現することができる。

図１は、放電ガス処理装置の放電管の一例を示す断面図である。図２と同一または相当する部分には同一符号を付している。放電ガス処理装置全体の構成は、例えば図２と同様であるのでその前記説明を参照するものとし、ここでは重複説明を省略する。

図１に示したような断面構造を有している複数種類の放電管２を用意した。この放電管２の外側電極４は、金属製で円筒状（円管状とも言える。以下同じ）をしている。即ち、金属円筒（金属パイプ）である。これが非コロナ電極になる。同放電管２の内側電極６は、外側電極４よりも細く、金属製で断面円形の線状をしている。即ち、金属ワイヤである。これがコロナ電極になる。

外側電極４の内半径Ｒおよび内側電極６の外半径ｒの異なる複数種類の放電管２を用意し、両電極４、６間に例えば前述したようなガス源１０からガス１２として乾燥空気（ほぼ大気圧）を流し、両電極４、６間に例えば前述したようなパルス電源１４からパルス幅２００ｎｓのパルス電圧Ｖ_P を繰り返し（繰り返し率１０００ｐｐｓまで）印加した結果を表１にまとめて示す。表１中の結果の欄は、印加パルス電圧Ｖ_P を１ｋＶ刻みに変化させ、パルスコロナ放電による放電電力投入開始電圧とアーク放電開始電圧との境界が認められない場合を×印で、パルスコロナ放電による放電電力投入開始電圧とアーク放電発生電圧との間に差は認められるけれどもその差が数ｋＶ未満の場合を△印で、その差が数ｋＶ以上である場合を○印でそれぞれ表現している。

この表１に示すように、内側電極６の外半径ｒに対する外側電極４の内半径Ｒの比Ｒ／ｒを３０より大、望ましくは４０以上に設定することにより、両電極４、６間に、即ち放電管２において、容易に安定なパルスコロナ放電が得られることが分かる。例えば、内側電極６の外半径ｒを０．５ｍｍとすれば、外側電極４の内半径Ｒは１５ｍｍより大、望ましくは２０ｍｍ以上にすれば良い。

この表１の結果から分かるように、パルスコロナ放電の場合、安定なコロナ放電に容易に放電電力を投入するために必要な比Ｒ／ｒは、直流コロナ放電の場合（これは前述したように３以上）の１０倍程度にもなる。

この差異については定性的に次のように解釈できる。即ち、直流コロナ放電では空間電荷の再配置が可能なため、空間電荷電界の影響が小さく、静的電界分布による理論解析と実験結果とが良い一致を見ている。

一方、パルスコロナ放電では、印加電圧が極短パルスであるため、この時間領域では空間電荷の再配置が完了せず、直流コロナ放電の場合に比べて空間電荷電界の影響が大きい。特に投入電力を大ならしめようとする場合は、パルスコロナ放電では、空間電荷電界が放電成長の支配要因となるためと考えられる。このため従来の直流コロナ放電で言われているよりも、外側電極内半径と内側電極外半径との比Ｒ／ｒについて厳しい制約が課せられるものと解釈できる。

上記放電管２の長さＭ（図２参照）は、例えば、装置サイズを小さくする観点から、実用的には数ｍ以下にするのが好ましい。

放電管２は、１本でも良いし、処理ガス流量等に応じて、複数本を並列に集積化配置しても良い。

放電管２を構成する電極４および６の材質は、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、ニクロム合金、タングステン等が利用できる。これらについて実験したが、材質によって有意義な放電特性の差異は認められなかった。

内側電極６は、その機械的強度を考えれば、実用上は外半径ｒを０．１ｍｍ以上にするのが好ましい。また、両電極４、６間に印加するパルス電圧Ｖ_P は、パルス電源等の実用上からは、１００ｋＶ程度以下にするのが好ましく、この程度の電圧印加を可能にする観点からは外側電極４の内半径Ｒは最大で５０ｍｍ程度あれば良い。それより大きくしても、放電管２の断面寸法が大きくなるだけである。従って、実用的観点からは、内側電極外半径ｒに対する外側電極内半径Ｒの比Ｒ／ｒは５００以下となる。これに上記３０より大の条件を加味すると、上記比Ｒ／ｒは、実用的観点からは、３０より大かつ５００以下が好ましいと言える。

また、実験によれば、内側電極外半径ｒに対する外側電極内半径Ｒの比Ｒ／ｒを５０以上に設定すると、安定なコロナ放電への放電電力投入は容易となるものの、アーク発生電圧よりもかなり低い電圧でパルスコロナ放電への電力投入が始まる。つまり、アーク発生電圧よりもかなり低い電圧で放電インピーダンスが急激に低下し、印加電圧波高値が高く取れなくなる。これは、内側電極外半径ｒに対する外側電極内半径Ｒの比Ｒ／ｒが著しく高いと、印加電圧が低い領域で内側電極近傍の電界強度が著しく高くなってコロナ放電が成長し始めるためであると考えられる。従って、この観点からは、上記比Ｒ／ｒは、５０以下の領域を使用するのが好ましい。これに上記３０より大の条件を加味すると、上記比Ｒ／ｒは、３０より大かつ５０以下が好ましく、４０〜５０（即ち４０以上かつ５０以下）がより好ましい。つまり、上記比Ｒ／ｒを４０〜５０にすると、安定なパルスコロナ放電を容易に実現することができると共に、印加パルス電圧の波高値を大きく取って高速電子の割合を高めてより高いガス処理効率を得ることができる。

なお、上記のような放電管２の下流側に、例えば特開平３−１６６１６号公報に提案されているように、触媒部を配置しても良く、そのようにすればガス処理性能（例えば有害または悪臭物質の除去性能）をより高めることができる。

放電ガス処理装置の放電管の一例を示す断面図である。 放電ガス処理装置の一例を示す概略図である。

符号の説明

２ 放電管
４ 外側電極
６ 内側電極
１０ ガス源
１４ パルス電源

Claims (2)

1. 円筒状の外側電極内に線状の内側電極を同軸状に配置していて両電極間にガスが導入される放電管と、この放電管の両電極間にパルス電圧を印加して前記ガス中でパルスコロナ放電を形成せしめるパルス電源とを備える放電ガス処理装置の放電管設計方法において、前記放電管の内側電極の外半径（ｒ）に対する外側電極の内半径（Ｒ）の比（Ｒ／ｒ）を求め、この比（Ｒ／ｒ）が３０より大になるように前記外側電極の内半径（Ｒ）および前記内側電極の外半径（ｒ）を設定することを特徴とする放電ガス処理装置の放電管設計方法。
2. 前記放電管の内側電極の外半径に対する外側電極の内半径の比（Ｒ／ｒ）が４０〜５０になるように前記外側電極の内半径（Ｒ）および前記内側電極の外半径（ｒ）を設定する請求項１記載の放電ガス処理装置の放電管設計方法。

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