JP2004346768A - 排気浄化用リアクター - Google Patents

Abstract

【課題】浄化すべき物質を含有する流体を効率的に浄化する排気浄化リアクターを提供する。
【解決手段】排気流路中に一対の電極（１３と１４及び１５）を配置してなる排気浄化用リアクター（１０）であって、これら一対の電極の間の放電によって生じるプラズマの密度が、部分的に異なるようにされていることを特徴とする、排気浄化用リアクターとする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、浄化すべき物質を含有する流体、特にエンジン等の内燃機関からの排気に放電プラズマを作用させて、この物質を浄化する排気浄化用リアクターに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等で使用されるエンジン又は焼却設備から排出される排気には、様々な有害物質が含有されており、特にＮＯ_ｘ、ＳＯ_ｘ、及び粒状物質（又はパティキュレート、以下では「ＰＭ」という。）の様な有害物質の排出を低減させることが望まれている。
【０００３】
この様な有害物質、特にＰＭの除去のために、従来から電気集塵装置や、バグフィルターが使用されているが、それぞれランニングコスト、耐久性等に関して問題があった。そこで近年では、放電によってプラズマを発生させ、このプラズマの酸化作用によってＰＭを燃焼除去し、且つプラズマの酸化作用と触媒の還元作用によってＮＯ_ｘ等を浄化することが提案されている。
【０００４】
この放電プラズマを用いた排気浄化方法には様々な様式があり、例えば特許文献１で従来技術として示されているように、パイプ状電極とワイヤ電極とを用いる様式、プレート電極とワイヤ電極とを用いる様式がある。またこの特許文献１では、電気的に絶縁性のハニカム構造体の上流端及び下流端にメッシュ状電極を配置し、それによってハニカム構造体全体にわたって均一な放電プラズマを発生させて処理効率を改良するとしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−３８１３８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のプラズマを利用する排気浄化用リアクターは、有害物質を分解、捕集等して排気を浄化するという目的を部分的に満たしている。また特に、図５で示すような特許文献１の排気浄化リアクターは、ハニカム構造体全体にわたって均一な放電プラズマを発生させるという目的を達成している。ここで図５（ａ）はこの排気浄化リアクターの断面図であり、図５（ｂ）はこの排気浄化リアクターを矢印５６で示す排気流れの上流側から見た正面図である。
【０００７】
この図５で示す従来の排気浄化用リアクターでは、排気浄化用リアクター５０の排気流れ上流側に配置されたメッシュ状電極５４は、排気流れ下流側のメッシュ状電極５３と対になるようにして、電源５８を介して電気的に接続されている。この排気流れ上流側のメッシュ状電極５４は、絶縁性ハニカム構造体５２を介して排気下流側のメッシュ状電極５３と対面している。この図から明らかに理解されるように、これらの電極５３と５４との間では実質的に均一な電界ができ、従って発生する放電プラズマも実質的に均一である。
【０００８】
しかしながら本願発明者等は、排気浄化用リアクターを流通する排気流量又はＰＭのような除去すべき物質は、リアクターの半径方向にわたって一定ではなく、従ってリアクターで浄化すべき物質の流通量又は蓄積量も、リアクターの半径方向にわたって一定ではないことを見出した。
【０００９】
従ってこの認識に基づいて、浄化すべき物質を含有する流体を効率的に浄化する排気浄化リアクターを提供する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の排気浄化用リアクターは、排気流路中に一対の電極を配置してなる排気浄化用リアクターであって、これら一対の電極の間の放電によって生じるプラズマの密度が部分的に異なるようにされていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の排気浄化リアクターによれば、所望の場所、例えば浄化すべき物質が比較的多量に流通又は蓄積する場所において、プラズマの密度を大きくして大きい浄化能力を提供し、それによって効率的に排気を浄化することができる。また本発明によれば、異形リアクター（非対形状リアクター）においても電界強度分布を調節し、適切な排気の除去を可能にすることができる。
【００１３】
ここで「プラズマの密度」とは、プラズマ中で電離しているイオン及び／又は電子の密度であると考えることもできる。
【００１４】
本発明の排気浄化用リアクターでは、一対の電極の間の放電によって生じるプラズマの密度が、これらの電極の半径方向内側部分において大きくなるようにされていてよい。
【００１５】
これによれば、一般に排気の流速が大きく、従って浄化すべき物質が比較的多量に流通又は蓄積する排気流れの中心部分において、プラズマの密度を大きくして、大きい浄化能力を提供し、それによって効率的に排気を浄化することができる。
【００１６】
本発明の排気浄化用リアクターでは、一対の電極の間の距離が部分的に異なっていてよい。
【００１７】
これによれば、電界強度、従って放電強度を異ならせ、それによってプラズマ密度を部分的に異ならせることができる。また、複数の電源及び／又は分割された電極を使用しないで、一対の電極の間の電界強度を異ならせることができる。
【００１８】
本発明の排気浄化用リアクターでは、一対の電極の少なくとも一方が、少なくとも２つの部分に分割されており、これらの分割された部分のうちの１つが、他の部分と異なる電位を有するようにされていてよい。
【００１９】
これによれば、分割された電極の１つの部分と対電極との間の電界強度を、分割された電極の他の部分と対電極との間の電界強度と異ならせることができる。従って電極間の放電強度を異ならせ、それによってプラズマ密度を部分的に異ならせることができる。
【００２０】
本発明の排気浄化用リアクターでは、一対の電極の少なくとも一方が針状電極群であり、この針状電極群の針状電極の長さが部分的に異なっていてよい。
【００２１】
これによれば、一対の電極の間の距離を部分的に異ならせることができる。またこれによれば、針状電極の長さを随意に変更し、最適な電極間距離を容易に得ることができる。
【００２２】
本発明の排気浄化用リアクターでは、一対の電極の少なくとも一方がメッシュ状電極であり、このメッシュ状電極が湾曲していてよい。
【００２３】
これによれば、一対の電極の間の距離を部分的に異ならせること、及び／又は実質的にメッシュ数を増加させて電極の有効面積を大きくし、放電プラズマの発生を促進することができる。
【００２４】
本発明の排気浄化用リアクターでは、一対の電極の少なくとも一方がメッシュ状電極であり、このメッシュ状電極のメッシュ数が部分的に異なっていてよい。
【００２５】
これによれば、メッシュ数が大きくされたところでは、電極の有効面積を大きくなるので放電を促進し、メッシュ数が小さくされたところでは、電極の有効面積が小さくなるので放電を抑制することができる。このことは、必要とされる箇所においてより多量の放電プラズマを発生させることを可能にする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下では、本発明を図に示した第１〜第４の実施形態に基づいて具体的に説明するが、これらの図は本発明を構成する排気浄化用リアクターの概略を示す図であり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
【００２７】
本発明の第１の実施形態について図１を用いて説明する。ここで図１（ａ）は本発明の第１の実施形態の排気浄化リアクター１０の断面図であり、図１（ｂ）はこの排気浄化リアクター１０を、矢印１６で示す排気流れの上流側から見た正面図である。
【００２８】
図１において、排気浄化用リアクター１０の排気流れ上流側に配置された外側メッシュ状電極１４及び内側メッシュ状電極１５は、排気流れ下流側のメッシュ状電極１３と対になるようにして、それぞれ電源１８及び電源１９を介して電気的に接続されている。これらの排気流れ上流側メッシュ状電極１４及び１５は、絶縁性ハニカム構造体のような絶縁体又は空間１２を介して下流側メッシュ状電極１３と対面している。この排気浄化用リアクター１０を流通する排気は、矢印１６で示す方向で、メッシュ状電極１４及び１５、絶縁体又は空間１２、そしてメッシュ状電極１３を通る。
【００２９】
この排気浄化用リアクター１０の使用においては、電源１８及び１９を作用させることにより、排気流れ上流側に配置された外側メッシュ状電極１４及び内側メッシュ状電極１５と、排気流れ下流側のメッシュ状電極１３との間に放電を起こさせ、プラズマを発生させる。ここで電源１９は電源１８よりも大きい電圧を印加し、それによって電極１５と電源１３との間の電界強度が、電極１４と電極１３との間の電界強度よりも大きくなるようにする。これによって、内側メッシュ状電極１５と排気流れ下流側電極１３と間で優先的に放電が起こり、プラズマ密度が比較的大きくなるようにする。
【００３０】
以下に、図１に示した本発明の第１の実施形態の排気浄化用リアクターを構成する各部について更に具体的に説明する。
【００３１】
メッシュ状電極１３、１４及び１５は、電極１４及び１５と電極１３との間に電界を作ることができる任意の材料で製造できる。これらメッシュ状電極１３、１４及び１５の材料としては、導電性の材料や半導体等の材料を使用することができるが、金属材料が好ましい。この金属材料として、具体的にはＣｕ、Ｗ、ステンレス、Ｆｅ、Ｐｔ、Ａｌ等が使用でき、特にステンレスがコスト及び耐久性の点から好ましい。このメッシュ状電極は、金属板に打ち抜き加工を行うこと、ケミカルエッチングを行うこと等によって作製することができる。
【００３２】
絶縁性ハニカム構造体のような絶縁体又は空間１２は、排気を流通させることができ、且つ電極１４及び１５と電極１３との間に電圧を印加したときに、それらの電極間で放電プラズマを発生させることができる任意の材料で製造できる。また絶縁体又は空間１２が、コージェライト製ハニカム構造体のような絶縁物である場合、ここにＮＯ_ｘ吸蔵還元触媒のような排気浄化触媒、及びＰｔ／Ａｌ_２Ｏ_３のような捕集したＰＭの燃焼を促進する触媒を担持することもできる。
【００３３】
電源１８及び１９は、パルス状又は定常の直流又は交流電圧を発生させるものでよい。但し、電源１８及び１９は、電極１４と電極１５との間の放電又は通電が起こらないような電圧を印加しなければならない。印加電圧及びパルス周期としては、プラズマを発生させるのに一般的な値を使用でき、例えばパルス電圧５０ｋＶ及びパルス周期２，０００Ｈｚを使用できる。この排気浄化用リアクター１０では、排気上流側電極１４及び１５と、排気下流側電極１３との両方を、電源１８又は１９に接続しているが、例えば排気下流側電極１３を接地することもできる。
【００３４】
電極１４及び１５と電極１３との間で放電を起こさせるために、直流電圧、交流電圧、周期的な波形の電圧等を両電極間に印加することができるが、特に直流パルス電圧が、コロナ放電を良好に起こさせることができるために好ましい。直流パルス電圧を用いる場合に、印加電圧、パルス幅、パルス周期は、両電極間にコロナ放電を起こすことができる範囲で任意に選択できる。印加電圧の電圧等については、装置の設計や経済性等からの一定の制約を受ける可能性があるが、高電圧かつ短パルス周期の電圧であることがコロナ放電を良好に発生させる点から望ましい。
【００３５】
本発明の第２の実施形態について図２を用いて説明する。ここで図２（ａ）は本発明の第２の実施形態の排気浄化リアクター２０の断面図であり、図２（ｂ）はこの排気浄化リアクター２０を、矢印２６で示す排気流れの上流側から見た正面図である。
【００３６】
図２において、排気浄化用リアクター２０の排気流れ上流側に配置された針状電極２４は、排気流れ下流側の針状電極２３と対になるようにして、電源２８を介して電気的に接続されている。この排気流れ上流側の針状電極群２４は、絶縁性ハニカム構造体のような絶縁体又は空間１２を介して排気下流側の針状電極群２３と対面している。ここで排気流れ上流側の針状電極群２４の個々の針状電極は、電極の中央に近づくに従って長くなっている。この排気浄化用リアクター２０を流通する排気は、矢印２６で示す方向で、針状電極群２４、絶縁体又は空間２２、そして針状電極群２３を通る。
【００３７】
この排気浄化用リアクター２０の使用においては、電源２８を作用させることにより、排気流れ上流側の針状電極群２４と、排気流れ下流側の針状電極群２３との間に放電を起こさせ、プラズマを発生させる。ここでは電極２４と電極２３との距離は、電極の半径方向内側に行くに従って短くなっており、従って半径方向内側に行くに従って大きい電界が発生し、放電プラズマの密度が大きくなる。
【００３８】
この図２に示した本発明の第２の実施形態の排気浄化リアクターの針状電極群２３及び２４は、これらの電極の間に電界を作ることができる任意の材料で製造できる。従って図１の実施形態のメッシュ状電極に関して示した材料で製造できる。また、絶縁体又は空間２２及び電源２８は、本発明の第１の実施形態に関して示したようなものでよい。
【００３９】
本発明の第３の実施形態について図３を用いて説明する。ここで図３（ａ）は本発明の第３の実施形態の排気浄化リアクター３０の断面図であり、図３（ｂ）はこの排気浄化リアクター３０を、矢印３６で示す排気流れの上流側から見た正面図である。
【００４０】
図３において、排気浄化用リアクター３０の排気流れ上流側に配置されたメッシュ状電極３４は、排気流れ下流側のメッシュ状電極３３と対になるようにして、電源３８を介して電気的に接続されている。この排気流れ上流側のメッシュ状電極３４は、絶縁性ハニカム構造体のような絶縁体又は空間３２を介して排気下流側のメッシュ状電極３３と対面している。ここで排気流れ上流側のメッシュ状電極３４は、電極の半径方向内側に行くに従って排気下流側のメッシュ状電極３３に近づくようにして湾曲している。この排気浄化用リアクター３０を流通する排気は、矢印３６で示す方向で、メッシュ状電極３４、絶縁体又は空間３２、そしてメッシュ状電極３３を通る。
【００４１】
この排気浄化用リアクター３０の使用においては、電源３８を作用させることにより、排気流れ上流側のメッシュ状電極３４と、排気流れ下流側のメッシュ状電極３３との間に放電を起こさせ、プラズマを発生させる。ここでは電極３４と電極３３との距離は、電極の中央に近づくに従って短くなっており、従って電極の中央に近づくにつれてより大きい電界が発生し、放電プラズマの密度が大きくなる。
【００４２】
この図３に示した本発明の第３の実施形態の排気浄化リアクター３０のメッシュ状電極３３及び３４、絶縁体又は空間３２、並びに電源３８は、本発明の第１の実施形態に関して示したようなものでよい。
【００４３】
本発明の第４の実施形態について図４を用いて説明する。ここで図４（ａ）は本発明の第４の実施形態の排気浄化リアクター４０の断面図であり、図４（ｂ）はこの排気浄化リアクター４０を、矢印４６で示す排気流れ上流側から見た正面図である。
【００４４】
図４において、排気浄化用リアクター４０の排気流れ上流側に配置されたメッシュ状電極４４及び４５は、排気流れ下流側のメッシュ状電極４３と対になるようにして、電源４８を介して電気的に接続されている。この排気流れ上流側のメッシュ状電極４４及び４５は、絶縁性ハニカム構造体のような絶縁体又は空間４２を介して排気下流側のメッシュ状電極４３と対面している。ここで排気流れ上流側の電極の半径方向内側のメッシュ状電極４５は、半径方向外側のメッシュ状電極４４と比べてメッシュ数が大きい、すなわちメッシュの目が比較的細かい。この排気浄化用リアクター４０を流通する排気は、矢印４６で示す方向で、メッシュ状電極４４及び４５、絶縁体又は空間４２、そしてメッシュ状電極４３を通る。
【００４５】
この排気浄化用リアクター４０の使用においては、電源４８を作用させることにより、排気流れ上流側のメッシュ状電極４４及び４５と、排気流れ下流側のメッシュ状電極４３との間に放電を起こさせ、プラズマを発生させる。ここでは電極４５は電極４４と比較してメッシュ数が大きく、従って電極として作用する有効表面積が大きいので、電極４５に対応する電極の中央部分では放電プラズマの密度が大きくなる。
【００４６】
この図４に示した本発明の第４の実施形態の排気浄化リアクターのメッシュ状電極４３〜４５、絶縁体又は空間４２、並びに電源４８は、図１の実施形態に関して示したようなものでよい。
【００４７】
ここまでで本発明を図に示した実施形態に基づいて具体的に説明してきたが、これらは本発明の排気浄化用リアクターの概略を示す図であり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。よって第１〜第４の実施形態では、排気流れ上流側の電極のみを本発明に基づいて変更してきたが、当然に排気流れ下流側の電極、又は排気流れ上流側及び下流側の両方の電極を、本発明に基づいて変更することができる。またこれら第１〜第４の実施形態の電極を組み合わせることも当然に本発明の範囲内である。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、浄化すべき物質を含有する流体を効率的に浄化する排気浄化リアクターが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施態様を表す断面図及び正面図である。
【図２】本発明の第２の実施態様を表す断面図及び正面図である。
【図３】本発明の第３の実施態様を表す断面図及び正面図である。
【図４】本発明の第４の実施態様を表す断面図及び正面図である。
【図５】従来の排気浄化用リアクターを表す断面図及び正面図である。
【符号の説明】
１０，２０，３０，４０，５０…排気浄化用リアクター
１２，２２，３２，４２，５２…絶縁体又は空間
１３，２３，３３，４３，５３…排気下流側電極
１４，１５，２４，３４，４４，４５，５４…排気上流側電極
１６，２６，３６，４６，５６…排気流れ方向
１８，１９，２８，３８，４８，５８…電源

Claims (7)

1. 排気流路中に一対の電極を配置してなる排気浄化用リアクターであって、これら一対の電極の間の放電によって生じるプラズマの密度が、部分的に異なるようにされていることを特徴とする、排気浄化用リアクター。
2. 前記一対の電極の間の放電によって生じるプラズマの密度が、これらの電極の半径方向内側部分において大きくなるようにされている、請求項１に記載の排気浄化用リアクター。
3. 前記一対の電極の間の距離が部分的に異なっている、請求項１又は２に記載の排気浄化用リアクター。
4. 前記一対の電極の少なくとも一方が、少なくとも２つの部分に分割されており、これらの分割された部分のうちの１つが、他の部分と異なる電位を有するようにされている、請求項１〜３のいずれかに記載の排気浄化用リアクター。
5. 前記一対の電極の少なくとも一方が針状電極群であり、この針状電極群の針状電極の長さが部分的に異なっている、請求項１〜４のいずれかに記載の排気浄化用リアクター。
6. 前記一対の電極の少なくとも一方がメッシュ状電極であり、このメッシュ状電極が湾曲している、請求項１〜５のいずれかに記載の排気浄化用リアクター。
7. 前記一対の電極の少なくとも一方がメッシュ状電極であり、このメッシュ状電極のメッシュ数が部分的に異なっている、請求項１〜６のいずれかに記載の排気浄化用リアクター。

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