JP2004515700A - プラズマ反応器によるガス処理 - Google Patents

Abstract

ガス媒体のプラズマ援助式処理に用いられる反応器（１００）であって、共に接地されている２つの同心電極（１０８，１０９）相互間に収容された活性物質（１０７）から成る円筒形の床（１０６）を有し、第３の円筒形電極（１１１）が、他の電極（１０８，１０９）と同心であって、高電圧入力端子（１１２）に接続された状態で活性物質（１０７）の円筒形床中に配置されている。

Description

【０００１】
本発明は、ガス状媒体のプラズマ援助式処理に関し、特に内燃機関の排気管からの炭質燃焼生成物及び窒素酸化物から成る燃焼生成物の放出量の減少に関する。
【０００２】
内燃機関の開発及び利用と関連した大きな問題のうちの１つは、かかるエンジンからの有害な排気による大気汚染物質である。特にディーゼルエンジンの場合における最も有害な物質のうちの２つは、粒状物（主として、炭素）及び窒素酸化物（ＮＯＸ）である。排出規制がますます厳しくなるにつれ、内燃機関及び自動車製造業者は、特に内燃機関の排気による大気汚染分からこれら物質を除去するより効率的な方法を見出さざるを得ないようになっている。残念なことに、実際には、内燃機関の排気による大気汚染分の上述の成分のうちの１つに関する状況を改善する燃焼改善方式は、他方の成分に関する状況を悪化させる傾向があることが判明している。したがって、内燃機関の排出管からの粒子放出物を捕捉する種々のシステムが特にかかる粒子放出物トラップが粒状物で飽和状態になったとき、かかる粒子放出物トラップを再生可能にする観点で研究されている。
【０００３】
かかるディーゼル排出粒子フィルタの例が、欧州特許出願第００１０３８４号明細書、米国特許第４，５０５，１０７号明細書、米国特許第４，４８５，６２２号明細書、米国特許第４，４２７，４１８号明細書、米国特許第４，２７６，０６６号明細書、欧州特許第０２４４０６１号明細書、欧州特許第０１１２６３４号明細書及び欧州特許第０１３２１６６号明細書に見受けられる。
【０００４】
上述の全ての場合において、粒状物は、多孔質の通常はセラミックから成るフィルタ本体の間隙に粒状物を単純に物理的に捕捉することによりディーゼル排出ガスから除去され、フィルタ本体は次に、これを捕捉したディーゼル排出粒子を焼尽させる温度まで加熱することにより再生する。大抵の場合、フィルタ本体は一体形のものである。ただし、欧州特許第００１０３８４号明細書は、セラミックビーズ、ワイヤメッシュ又は金属スクリーンの使用も記載している。米国特許第４，４２７，４１８号明細書は、セラミック被覆ワイヤ又はセラミック繊維の使用を開示している。
【０００５】
英国特許第２２７４４１２号明細書は、粒子及び他の汚染物質を内燃機関の排出ガスから除去する方法及び装置を開示しており、かかる技術では、排出ガスを比誘電率の高い材料、好ましくは、強誘電体の荷電ペレットの床に通す。酸化、特に、放電援助方式の酸化により粒子を除去することに加えて、ＮＯＸ還元を触媒するようになったペレットを用いることによりＮＯＸガスを窒素に還元することを開示している。
高比誘電率材料のペレットの床を有する例えば英国特許第２２７４４１２号明細書に開示されているプラズマ援助式反応器に関して生じる問題は、ペレット床中に電界の局所的なばらつきが生じる場合があり、場合によってはこれが原因となって電界がプラズマを反応器内で処理されるべきガス状媒体中に生じさせることができるほど十分ではないペレット床の領域が生じることである。
【０００６】
本発明の目的は、ガス状媒体のプラズマ援助式処理のための改良型反応器を提供することにある。
本発明によれば、ガス状媒体のプラズマ援助式処理のための反応器であって、ガス透過性活性物質を収容した反応器チャンバと、反応器内で処理されるべきガス状媒体が反応器チャンバ及び活性物質を通過するようにする手段と、活性物質を横切って、活性物質中の間隙を通過するガス状媒体中にプラズマを生じさせるのに十分な電界を形成できるようにする手段としての複数の電極とを有する反応器であって、高電圧入力端子に接続されると共に接地点に接続された２つの互いに平行な電極相互間の活性物質内に配置された少なくとも１つの電極が設けられていることを特徴とする反応器が提供される。
活性物質は、活性物質の床、好ましくは、誘電率の高い物質の床から成るのがよい。
【０００７】
本発明の電極構造の利点は、活性媒体のペレットの床の幅が所与の場合、電界が２倍になり、かくして、反応器内の活性物質の床を通るガス状媒体中にプラズマを生じさせる効率が向上するということにある。
好ましくは、活性物質の床は、中空円筒形の形態をしており、同軸の円筒形電極が、筒体の内面及び外面を形成し、高電圧電極が、接地された電極相互間の中間にこれらと同軸状に配置される。
【０００８】
本発明の好ましい実施形態では、活性物質の床は、２つの同心の円筒形接地電極相互間に収容された個々のペレットの形態をしており、高電圧電極も又、接地電極相互間の中間に位置した状態で接地電極と同心の円筒形電極であり、これら電極は、ガス透過性であり、ガス状媒体は、活性物質の床を通って半径方向に流れるようになっており、高電圧電極の上流側に設けられたペレットは、高電圧電極の下流側に設けられた電極よりも寸法が大きい。
【０００９】
本発明の一特徴によれば、プラズマ援助式ガス反応器は、内燃機関からの窒素燃焼生成物及び（又は）炭質燃焼生成物を除去できるよう内燃機関からの排気系統に組み込まれるようになっている。本発明のこの形態では、プラズマ援助式ガス反応器の下流側に、内燃機関からの排気ガス中の有毒燃焼生成物の濃度を一段と減少させる触媒コンバータを設けるのがよい。
触媒コンバータを、活性物質と同一の反応器チャンバ内に設けるのがよい。特に、かかる触媒コンバータを、これが円筒形の形態をしている場合、活性物質の床の中央領域に設けるのがよい。
【００１０】
活性物質として用いるのに適した物質の例としては、チタネート、特に、アナターゼ相のチタニア、ジルコニア、これら化合物の混合物、アルミナ、金属をドープしたゼオライト及びバナジアが挙げられる。
【００１１】
次に、本発明の内容を添付の図面を参照して例示として説明する。
図１を参照すると、内燃機関からの排出ガスをプラズマの助けをかりて処理して排出ガスから有害燃焼生成物を除去する反応器１００が、入口スタブ１０２及び出口スタブ１０３を備えた円筒形金属ケーシング１０１から成り、かかるスタブにより、反応器を内燃機関（図示せず）の排気系統に組み込むことができる。反応器ケーシング１０１は、２つのコンパートメント１０４，１０５に分割されている。反応ケーシング１０１の上流側コンパートメント１０４は、活性物質、例えばバリウムチタネートから成るペレット１０７の床１０６を有し、このペレット床は、有孔ステンレス鋼で作られた２つの接地された状態の同心円筒形電極１０８，１０９相互間に収容されている。内側電極１０８の上流側端部は、これ又ステンレス鋼で作られたシンブル１１０によって閉鎖されている。活性物質から成るペレット１０７の床１０６内の中央に、電極１０８，１０９と同心にこれ又有孔ステンレス鋼で作られた第３の円筒形電極１１１が配置されている。電極１１１は、高電圧端子１１２に接続されている。電極１０８，１０９，１１１は、耐熱衝撃性のあるセラミック絶縁材料、例えば、アルミナで作られた２つのダイヤフラム１１３，１１４によって反応器ケーシング１０１のコンパートメント１０４内に支持された状態で設けられている。上流側電極支持体１１３は、その周囲にぐるりと設けられたリング状の一定間隔を置いた軸方向に差し向けられている穴１１５を有し、これら穴は、反応器ケーシング１０１と外側電極１０９との間の空間１１６に開口している。下流側電極支持体１１４は、直径が内側電極１０８の直径にほぼ等しい中央孔１１７を有している。かくして、反応器チャンバ１０１に流入した排出ガスは、ペレット１０７の床１０６を通って半径方向に流れるようになっており、その後、内側接地電極１０８の中央孔１１７を通って反応器ケーシング１０１のコンパートメント１０４から出るようになっている。反応器１００のコンパートメント１０５は、内燃機関からの排気による大気汚染分の還元を行うための従来型の一体形触媒本体１１８を収容している。反応器ケーシング１０１のコンパートメント１０４，１０５相互間には、流れ差し向けプレート又はバッフルプレート１１９が設けられており、この流れ差し向けプレート１１９は、電極１０８の孔１１７を通って反応器ケーシング１０１のコンパートメント１０４から流出した排出ガスの流れが拡張して触媒本体１１８の上流側の表面１２０全体を包囲するようにするために配置されている。
【００１２】
図２は、本発明の第２の実施形態の縦断面図である。第１の実施形態の類似の構成要素と一致した構成要素には、同一の符号が付けられている。本発明のこの実施形態では、反応器ケーシング１０１は、コンパートメント２０１を１つだけ有し、触媒材料２０２の一体形本体は、内側電極１０８内に収容されている。装置の残部は、図１の装置と同一である。
【００１３】
図３は、本発明の第３の実施形態の縦断面図である。この場合も又、上記実施形態の構成要素と類似した構成要素には同一の符号が付けられている。本発明のこの実施形態では、この場合も又、内側電極１０８の内部に一体形触媒が設けられているが、この場合、触媒は、単一の本体ではなく、一連のディスク又は円板３０１の形態をしており、第２の電極１１４の開口孔１１７と反応器ケーシング１０１の出口スタブ１０３との間には触媒の第２の本体３０２が設けられている。
【００１４】
図４は、内側電極１０８の内部の空間が一体形触媒の多数のディスクではなく、触媒材料のビーズ４０１で満たされた本発明の別の実施形態を示している。反応器の残部は、本発明の図３の実施形態と同一であり、これらには同一の符号が付けられている。
【００１５】
図５は、高電圧電極１１１が中空円筒形の形をしていて、反応器ケーシング１０１の第２のコンパートメント５０２内に収容された熱から保護された状態の高電圧変圧器５０１に直接接続されている本発明の実施形態を示している。この場合も又、内側電極１０８内の空間は、内燃機関の排出ガスの有害成分を一段と還元させる一体形触媒２０２で充填されている。
【００１６】
図６は、高電圧変圧器６０１の出力に直接接続された高電圧電極を有する本発明の別の実施形態を示している。しかしながら、この場合、内側電極１０８内部の空間は、図３を参照して説明した実施形態の場合と同様、一体形触媒材料の複数のディスク６０２を有し、中空円筒形変圧器６０１の内部は、一体形触媒材料の別の本体６０３で満たされている。
【００１７】
これまで説明した本発明の実施形態は全て、活性物質から成るペレット１０７の床１０６を通るガス状媒体の実質的に半径方向の流れを可能にするよう構成さされている。しかしながら、本発明を具体化したプラズマ援助式ガス処理反応器は、反応器内で処理されるべきガス状媒体の活性物質から成る床を通る軸方向の流れを可能にするよう構成されたものであってもよい。
【００１８】
図７は、かかる一構成例を示している。この場合も又、第１の実施形態の態様の構成要素に類似した構成要素には、同一の符号が付けられている。図７を参照すると、内側電極１０８は中央ロッド７０１で置き換えられており、電極支持体１１３，１１４は、態様関係をなす電極支持体７０２，７０３で置き換えられており、これら電極支持体７０２，７０３はいずれも、ガスを容易に透過させることができる絶縁セラミック材料で作られ、又は、これらに設けられたアレイ状の軸方向穴７０４を有している。また、外側接地電極１０９及び高電圧電極１１１は、無孔ステンレス鋼シートで作られている。バッフルプレート１１９は、必要ではなく、省かれている。反応器の残部は、図１の実施形態の残部と同一である。
【００１９】
図７の実施形態の構成は、誘電体バリアの放電作業への改造に役に立つ。このため、少なくとも高電圧電極は、全ての表面が誘電体バリアを形成する誘電体の層を備える。変形例として、両方の接地電極は、全ての表面が誘電体の層を備える。しかしながら、誘電バリアの放電作業に好ましい構造は、全ての電極の全ての表面が誘電体の層を備えることである。
【００２０】
図１〜図６の半径方向流れに対応した実施形態は同様に誘電バリア放電作業向きに改造できるが、この場合、電極の設計は、電極を通るガスの通路を設ける際、全ての金属表面を誘電バリア材料の層で被覆するようにするために注意を払う必要があるのでより困難であることは理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の第１の実施形態の縦断面図である。
【図２】
本発明の第２の実施形態の縦断面図である。
【図３】
本発明の第３の実施形態の縦断面図である。
【図４】
本発明の第４の実施形態の縦断面図である。
【図５】
本発明の第５の実施形態の縦断面図である。
【図６】
本発明の第６の実施形態の縦断面図である。
【図７】
本発明の第７の実施形態の縦断面図である。

Claims (14)

1. ガス状媒体のプラズマ援助式処理のための反応器であって、ガス透過性活性物質を収容した反応器チャンバと、反応器内で処理されるべきガス状媒体が反応器チャンバ及び活性物質を通過するようにする手段と、活性物質を横切って、活性物質中の間隙を通過するガス状媒体中にプラズマを生じさせるのに十分な電界を形成できるようにする手段としての複数の電極とを有する反応器であって、高電圧入力端子に接続されると共に接地点に接続された２つの互いに平行な電極相互間の活性物質内に配置された少なくとも１つの電極が設けられていることを特徴とする反応器。
2. 高電圧電極は、全ての表面が誘電体で被覆されていて、反応器が誘電バリア形反応器として働くようになっているる請求項１記載の反応器。
3. 接地電極は少なくとも高電圧電極に向いた表面が誘電体で被覆されていて、反応器が、誘電体バリア形反応器として働くようになっている請求項１又は請求項２記載の反応器。
4. 反応器は中空円筒形の形態をしており、２つの接地された電極は、活性物質の内側境界部及び外側境界部を形成し、高電圧電極は、内側電極と外側電極の中間にこれらと同軸状に設けられた筒体である請求項１〜３の何れか１項記載の反応器。
5. 活性物質の透過度は、活性物質を通るガス状媒体の流れの方向に減少する請求項１〜４の何れか１項記載の反応器。
6. 活性物質は、活性物質から成る個々のペレットの凝集物の形態をしている請求項１〜５の何れか１項記載の反応器。
7. ペレットの寸法は、反応器を通るガス状媒体の流れの方向に減少している請求項６記載の反応器。
8. 電極は、ガス透過性であり、ガス状媒体は、反応器チャンバを通って半径方向に流れるしかないようになっている請求項４〜７の何れか１項記載の反応器。
9. 反応器は、内燃機関の排気系統の一部をなすようにする請求項１〜８の何れか１項記載の反応器。
10. 内燃機関からの排出ガス中の有害燃焼生成物を還元する触媒作用を持つ物質の本体と連係して用いられる請求項９記載の反応器。
11. 前記触媒材料の本体は、活性物質の下流側に配置されている請求項１０記載の反応器。
12. 活性物質は、中空円筒形の形態をしており、ガス状媒体は、活性物質を通って半径方向に流れるしかないようになっており、前記触媒材料は、活性物質の中空中央部に配置されている請求項１０又は請求項１１記載の反応器。
13. 高電圧電極は、活性物質と同一のエンベロープのコンパートメント内に収容された高電圧源に直接接続されている請求項１〜１２の何れか１項記載の反応器。
14. 高電圧源は、中空円筒形の形態をしており、内燃機関の排出ガスからの有害大気汚染分を還元するガス透過性材料の触媒から成る床は、高電圧源の中空中央部内に収容されている請求項１３の反応器。

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