JP2007021312A - 放電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放電部の環境状態が変化した場合においても安定した放電状態を継続させることが可能な放電装置を提供する。
【解決手段】端子３，３を対向配置して放電部が形成されており、この端子３，３間に電圧を印加して放電現象を生起する放電装置１において、上記放電部の作動環境状態量である気圧、温度、湿度（水蒸気圧）および浮遊粒子濃度の少なくとも一つを検知し、その検知した作動環境状態量の変動に応じて上記放電部に供給する電力を制御する出力制御機構９を備えたことを特徴とする放電装置１である。
【選択図】 図２

Description

本発明は放電装置に係り、特に放電部の環境状態が変化した場合においても安定した放電状態を継続させることが可能な放電装置に関する。

端子（放電電極）間に電圧を印加して発生する放電エネルギーを利用して環境中の不純物を分解浄化する技術が広く実用化されている。すなわち、処理対象とする気体中に含まれる悪臭物質あるいは有害物質を除去するために、対象物質を含む空間に電極を設置し、その電極に高電圧を印加することにより放電を発生させ、生じた酸素ラジカル等のラジカルと上記処理対象物質との反応により酸化分解する装置が実用化されている。

特に下記特許文献１に示すように放電装置の光触媒の充填部位で端子間放電を発生させ、その放電光を直接、光源として利用して光触媒反応を高い活性状態にして効率良く進行させる光触媒反応装置が普及している。

この放電装置を組み込んだ光触媒反応装置は、短波長光線の照射によって励起されて活性化する光触媒を採用し、この光触媒と接触した無機性または有機性の物質を光触媒反応で酸化または還元するものであり、例えば、物質の表面から汚れ成分を除去する洗浄装置、汚れ成分の付着を防止する防汚装置、細菌を無害化する殺菌装置、臭気成分を除去する脱臭装置、空気浄化装置、排気処理装置、水浄化装置、排水処理装置、有機合成または有機分解反応の促進装置、無機性・有機性の環境汚染物質の分解装置、等を構成する主装置として使用されている。これらの応用分野においては、光励起されたときに生じる強力な光触媒の酸化力や還元力による光触媒反応や光触媒作用を利用している。
特許第３５０４１６５号公報

しかしながら、上記ように放電現象を機能の一部として有する従来の放電装置を使用した脱臭・有害物処理用の光触媒反応装置では、被処理ガス内に含有されるの処理対象物質の仕様や使用する環境に応じて最良の放電動作が実現するように印加される電界強度などを事前に確認して動作電圧等が決定され、予め設定された電圧を放電装置に供給していた。そのために、放電部の作動環境条件の変化によって放電状態が大きく変動し長期に亘って安定した処理が継続できない上に、供給する電力が効率的に利用されない問題があった。

特に、自動車に装備される脱臭装置のように、処理対象とする環境条件が大きく変動する車室環境などの場合では、環境条件の上限近傍あるいは下限近傍の環境条件において脱臭装置の最適動作範囲から外れ、最悪の場合には処理動作が不可能になる事態も生じてしまう。

このような事態を回避するために、従来手法では装置の最良条件での動作ではなくても、動作不良を回避する運転条件で動作を継続するように、なるべく安全側で動作するように設計されている。その結果、装置性能が充分に発揮されない状態で運転することが余儀なくされている問題点もあった。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、特に放電部の環境状態が変化した場合においても安定した放電状態を継続させることが可能な放電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明者らは従来の放電装置において放電操作が不安定になる要因を実験により調査究明した結果、以下のような知見を得た。すなわち、上記放電部における放電現象を不安定にする作動環境状態として、気圧、温度、湿度（水蒸気圧）および浮遊粒子濃度が大きな影響力を持つことを突き止めた。

具体的には、上記のような放電装置を用いた脱臭、有害物処理技術において使用する環境、例えば気圧、温度、湿度などが変化した場合、放電空間に入力できるエネルギーが減少することや、放電の安定性が損なわれるなどの問題が生じることが判明した。これは放電現象が放電空間に存在する気体分子の種類や密度などの物理状態に強く依存するためであると考えられる。すなわち安定な放電状態を長期に亘り維持するためには、放電空間に存在する電子密度がある一定値となる必要があることが判明した。この電子密度は、放電空間に存在する初期電子が放電空間に印加される電界Ｅによりエネルギーを受け取り加速し、例えば空気中であれば窒素分子などの中性粒子と衝突して電離を引き起こす結果増加する割合と、拡散や付着、再結合により失われる割合との競合により決定される。この電離割合が過少である場合には放電状態が維持されない一方、電離割合が過大である場合では放電形態がスパークやアーク放電に移行し安定な放電が得られないという知見が得られた。

また、放電空間中の粒子密度は温度の増加により低下し、気圧の増加により増大する。その結果、上記電子衝突の確率は温度の増加により低下し、気圧の増加により増大することとなり、電子密度が変動することとなる。

さらに、放電空間中の電子密度は上記した空間に存在する中性粒子種における電子の付着性の有無によっても変動する。具体的には、水分子（Ｈ_２Ｏ）や酸素分子（Ｏ_２）のように電子付着性が高い中性粒子が高密度で存在する場合には、負イオンの生成量が増大し、上記電子密度は低下することが判明した。

したがって、放電部の環境状態が変化した場合においても安定した放電状態を継続させることが可能となる放電装置を実現するためには、特に作動環境状態としての、気圧、温度、湿度（水蒸気圧）および浮遊粒子濃度の少なくとも１種を検出し、その作動環境状態量の変動に応じて上記放電部に供給する電力を制御する機構を設けることによって、放電空間に存在する電子密度を一定値に保持することが極めて有効であるという知見を得た。本発明はこれらの知見に基づいて完成されたものである。

すなわち、本発明に係る放電装置は、端子を対向配置して放電部が形成されており、この端子間に電圧を印加して放電現象を生起する放電装置において、上記放電部の作動環境状態量である気圧、温度、湿度（水蒸気圧）および浮遊粒子濃度の少なくとも一つを検知し、その検知した作動環境状態量の変動に応じて上記放電部に供給する電力を制御する出力制御機構を備えたことを特徴とする。

上記放電装置において、センサ等の検出器によって放電部の作動環境状態量である気圧、温度、湿度（水蒸気圧）および浮遊粒子濃度の少なくとも一つが検知され、検知した作動環境状態量の変動に応じて出力制御機構が上記放電部に供給する電力を制御する。

上記出力制御機構における具体的な電力制御形態は、放電部に誘電体として作用する物質が介在するか否かによって電圧の増減調整が反対になる場合がある。まず、放電部に結露した水滴等が介在せず、また他の誘電体として作用する物質が介在しない場合においては、放電部の気圧、温度、湿度（水蒸気圧）の変化に対応して下記の形態となる。すなわち、放電空間（放電部）の気圧を検出したときに、気圧が所定の運転圧力より増加した場合には、印加電圧を増加する一方、気圧が低下した場合には印加電圧を低下させるように制御することにより放電空間の電子密度を一定に保持することができ、安定した放電状態を維持することができる。

また放電空間の温度を検出したときに、温度が所定の運転温度より増加した場合には、印加電圧を低下させる一方、温度が低下した場合には印加電圧を増加させるように制御することにより放電空間の電子密度を一定に保持することができ、安定した放電状態を維持することができる。

また放電空間の湿度（水蒸気圧）を検出したときに、湿度が所定の運転湿度より増加した場合には印加電圧を増加させる一方、湿度が低下した場合には印加電圧を低下させるように制御することにより放電空間の電子密度を一定に保持することができ、安定した放電状態を維持することができる。

これに対して、運転条件によって放電部に結露した水滴等が介在したり、他の誘電体として作用する物質が介在したりする場合には、その影響が大きくなり粒子を加速する電界分布が変化して放電部に存在する電子密度が急増し異常放電やスパークが発生しやすくなる場合がある。したがって、放電部に誘電体として作用する物質が介在する場合であって、作動環境状態量として湿度（水蒸気圧）を管理指標とした場合の電力制御形態は以下のようになる。

すなわち、放電部に誘電体として作用する物質が介在する場合に放電空間の湿度（水蒸気圧）を検出したときに、その湿度が所定の運転湿度より増加した場合には印加電圧を低下させる一方、湿度が低下した場合には印加電圧を増加させるように制御することにより放電空間の電子密度を一定に保持することができ、安定した放電状態を維持することができる。

また、放電部においてタール等の浮遊粒子濃度が増加した場合には、短絡放電が発生し易くなり、本来の放電が不安定になり正規の放電に関与しない無駄な電力が消費され電力効率が低下する。したがって、浮遊粒子濃度が所定の運転濃度より増加した場合には、印加電圧を低下させるように制御することにより、無駄な電力消費が回避され本来の放電のみに電力を供することができる。

また、上記放電装置において、前記出力制御機構は放電部に供給する電力を設定電圧の調整により制御することが好ましい。すなわち、出力電圧波形における電源ピーク電圧値（Ｖｐ）に対応する波形の振幅を増減調整することにより、放電部の端子間に供給する電力Ｐを制御するように構成しても良い。

さらに上記放電装置において、前記出力制御機構は放電部に供給する電力を設定周波数の調整により制御することが好ましい。すなわち、一定周波数の交流電源から異なった周波数の交流電力をえるサイクロコンバータ等の周波数変換装置を使用して出力電圧波形における周波数（Ｈｚ）を増減調整することにより、放電部の端子間に供給する電力Ｐを制御するように構成しても良い。

また、上記放電装置において、前記出力制御機構は放電部に供給する電力を出力の動作間欠モードの調整により制御することも可能である。すなわち、電源周波数の一定サイクル数を連続してオンにし、その後にある一定サイクル数をオフとして繰返す動作間欠モードを利用し、ＯＮ―ＯＦＦ期間の長短により放電部に供給するトータル出力電力Ｐを制御するように構成しても良い。

上記本発明に係る放電装置によれば、放電部の作動環境状態量である気圧、温度、湿度（水蒸気圧）および浮遊粒子濃度の少なくとも一つが検知され、検知した作動環境状態量の変動に応じて上記放電部に供給する電力が出力制御機構によって常時制御されるために、放電空間の電子密度を一定に保持することができ、安定した放電状態を長期にわたって維持することができる。

次に本発明に係る放電装置の実施形態について添付図面を参照して具体的に説明する。図１は光触媒を放電部に配置した脱臭設備（光触媒反応装置）に本発明に係る放電装置を適用した実施例の構成を模式的に示す断面図である。図２は図１に示す放電装置の出力制御機構の構成例を示すブロック図である。

図１に示すように本実施形態の放電装置１を備えた光触媒反応装置では、光触媒担持体としてブロック状の多孔質の焼結体２が採用され、この焼結体２が一対の高電圧端子３間に配置されている。高電圧端子３には、配線４を介して電源部５が接続されている。そして焼結体２は、反応用の物質を含む気相および液相の少なくとも１相の媒体６が流通する流路７内に配置されている。

また、図２に示すように、放電装置１には放電部の作動環境状態量である気圧、温度、湿度（水蒸気圧）等を検出するセンサ（検出器）８が装備されており、このセンサ８によって検出された作動環境状態量の変動に応じて放電部に供給する電力を制御する出力制御機構９が装備されている。

上記出力制御機構９は、センサ８からの検出信号に対応して出力すべき電力の仕様を制御する制御信号を出力するＣＰＵ等から成る制御部１０と、制御信号に応じて電源のＯＮ―ＯＦＦ制御を実行する電源部５と、前記制御信号に応じて電源部５からの出力電圧波形の周波数を変化させる発信部１１と、出力端と放電部の特性インピーダンスとの整合化（マッチング）を図る整合部１２とを備えて構成される。

上記制御部１０は、センサ８の検出値とそれに対応して出力すべき電力の制御信号値との関係を示すデータテーブルを有し、このデータテーブルに基づいて所定の制御信号を出力する。また、上記出力端と放電部の特性インピーダンスとの整合がなく電力反射が生じた場合には、上記整合部１２は発信部１１に帰還信号が帰還されて、発信部１１からの出力が調整されて、再度上記整合化が図られる。

図１および図２に示すような本実施形態の放電装置１を備えた光触媒反応装置においては、各種センサ８によって放電部の作動環境状態量である気圧、温度および湿度（水蒸気圧）が検知され、検知した作動環境状態量の変動に応じて出力制御機構９が上記放電部に供給する電力を制御する。具体的には、
センサ８からの検出信号に対応して出力すべき電力の仕様を制御する制御信号が制御部１０から出力され、この制御信号に応じて電源部５が電源のＯＮ―ＯＦＦ制御を実行したり、前記制御信号に応じて発信部１１が電源部５からの出力電圧波形の周波数を変化させたりして放電部の端子３，３間に供給する電力を調整する。また整合部１２において、出力端と放電部の特性インピーダンスとの整合化（マッチング）が図られ、電力反射を起こさずに所定の電力が無駄なく効率的に放電部に供給される。

上記出力制御機構９における具体的な電力制御形態は、放電部に誘電体として作用する物質が介在するか否かによって電圧の増減調整が反対になる場合がある。まず、放電部に結露した水滴等が介在せず、また他の誘電体として作用する物質が介在しない場合においては、放電部の気圧、温度、湿度（水蒸気圧）の変化に対応して下記の制御形態となる。すなわち、放電空間（放電部）の気圧を検出したときに、気圧が所定の運転圧力より増加した場合には、印加電圧を増加するよう制御部１０が制御信号を発信する一方、気圧が低下した場合には印加電圧を低下させる旨の制御信号が発信される。

この場合、気圧が高くなった時には電界強度を上げなければ放電空間における電子密度は一定に保持できない。逆に気圧が低下した場合には印加電圧を低下させなければ、放電空間における電子密度は一定に保持できない。したがって、上記のように印加電圧を調整することにより放電空間の電子密度を一定に保持することができ、安定した放電状態を維持することができる。

また放電空間の温度を検出したときに、温度が所定の運転温度より増加した場合には、制御部１０は印加電圧を低下させる旨の制御信号を出力する一方、温度が低下した場合には印加電圧を増加させる旨の制御信号を出力する。この場合、放電を発生させなくても放電空間における電子と粒子との衝突頻度が高まり衝突によって副生する電子量が増加するので電子密度が増加する。反対に、温度が低下した場合には、衝突によって副生する電子量が減少するので、その減少分を補うために印加電圧を高める必要がある。こうして上記のように印加電圧を制御することにより放電空間の電子密度を一定に保持することができ、安定した放電状態を維持することができる。

また放電空間の湿度（水蒸気圧）を検出したときに、湿度が所定の運転湿度より増加した場合には制御部１０は印加電圧を増加させる旨の制御信号を出力する一方、湿度が低下した場合には印加電圧を低下させる旨の制御信号を出力する。この場合、湿度成分によって電子の粒子への衝突が阻害されて、副生する電子量が減少するので印加電圧を増加させて放電部の電子密度を補う必要がある。反対に、湿度が過度に低下した場合には、副生する電子量を抑制して異常放電を阻止するために印加電圧を低下させる必要がある。こうして上記のように印加電圧を制御することにより放電空間の電子密度を一定に保持することができ、安定した放電状態を維持することができる。

これに対して、運転条件によって放電部に結露した水滴等が介在したり、他の誘電体として作用する物質が介在したりする場合には、その影響が大きくなり粒子を加速する電界分布が変化して放電部に存在する電子密度が急増し異常放電やスパークが発生しやすくなる場合がある。したがって、放電部に誘電体として作用する物質が介在する場合であって、作動環境状態量として湿度（水蒸気圧）を管理指標とした場合の電力制御形態は以下のようになる。

すなわち、放電部に誘電体として作用する物質が介在する場合に放電空間の湿度（水蒸気圧）を検出したときに、その湿度が所定の運転湿度より増加した場合には印加電圧を低下させる一方、湿度が低下した場合には印加電圧を増加させるように制御することにより放電空間の電子密度を一定に保持することができ、安定した放電状態を維持することができる。

また、放電部においてタール等の浮遊粒子濃度が増加した場合には、短絡放電が発生し易くなり、本来の放電が不安定になり正規の放電に関与しない無駄な電力が消費され電力効率が低下する。したがって、浮遊粒子濃度が所定の運転濃度より増加した場合には、印加電圧を低下させるように制御することにより、無駄な電力消費が回避され本来の放電のみに電力を供することができる。

また、上記放電装置１において、前記出力制御機構９は放電部に供給する電力を設定電圧の調整により制御するように構成しても良い。すなわち、図３に示すように、出力電圧波形における電源ピーク電圧値（Ｖｐ）に対応する波形の振幅を増減調整することにより、放電部の端子間に供給する電力Ｐを制御するように構成しても良い。

さらに上記放電装置１において、前記出力制御機構９は放電部に供給する電力を設定周波数の調整により制御するように構成しても良い。すなわち、インバータ等の周波数変換器の点弧角を調整して周波数を変換したり、一定周波数の交流電源から異なった周波数の交流電力をえるサイクロコンバータ等の周波数変換装置を使用して、図４に示すように出力電圧波形における周波数（Ｈｚ）を増減調整したりすることにより、放電部の端子間に供給する電力Ｐを制御するように構成しても良い。

また、上記放電装置において、前記出力制御機構は放電部に供給する電力を出力の動作間欠モードの調整により制御することも可能である。すなわち、図５に示すように、電源周波数の一定サイクル数を連続してオンにし、その後にある一定サイクル数をオフとして繰返す動作間欠モードを利用し、ＯＮ−ＯＦＦ期間の長短により放電部に供給するトータル出力電力Ｐを制御するように構成しても良い。

さらに、上記実施例においては記載していないが、被処理ガスが可燃性ガスを含有する場合において、放電環境中の可燃性ガス濃度を検知するガス組成検出器を放電部に設け、可燃性ガス濃度が所定値を超えた時に、放電部に印加する電力を止めることにより、着火源となる放電を止めて装置の爆発を未然に防止するように構成することもできる。

本発明に係る放電装置によれば、放電部の作動環境状態量である気圧、温度、湿度（水蒸気圧）および浮遊粒子濃度の少なくとも一つが検知され、検知した作動環境状態量の変動に応じて上記放電部に供給する電力が出力制御機構によって常時制御されるために、放電空間の電子密度を一定に保持することができ、安定した放電状態を長期にわたって維持することが可能であり、放電装置を使用した各種ガス処理装置およびガス反応装置の処理安定性を高めることができる。

光触媒を放電部に配置した脱臭設備に本発明に係る放電装置を適用した実施例の構成を模式的に示す断面図。 図１に示す放電装置の出力制御機構の構成例を示すブロック図。 放電部に供給する電力を電圧波形の振幅で調整する方法を示すグラフ。 放電部に供給する電力を電圧波形の周波数で調整する方法を示すグラフ。 放電部に供給する電力を電圧印加のＯＮ−ＯＦＦ制御により調整する方法を示すグラフ。

符号の説明

１ 放電装置
２ 焼結体（光触媒担持体）
３ 高電圧端子
４ 配線
５ 電源部
６ 媒体
７ 流路
８ 検出器（センサ）
９ 出力制御機構
１０ 制御部
１１ 発信部
１２ 整合部

Claims (4)

1. 端子を対向配置して放電部が形成されており、この端子間に電圧を印加して放電現象を生起する放電装置において、上記放電部の作動環境状態量である気圧、温度、湿度および浮遊粒子濃度の少なくとも一つを検知し、その検知した作動環境状態量の変動に応じて上記放電部に供給する電力を制御する出力制御機構を備えたことを特徴とする放電装置。
2. 請求項１記載の放電装置において、前記出力制御機構は放電部に供給する電力を設定電圧の調整により制御することを特徴とする放電装置。
3. 請求項１記載の放電装置において、前記出力制御機構は放電部に供給する電力を設定周波数の調整により制御することを特徴とする放電装置。
4. 請求項１記載の放電装置において、前記出力制御機構は放電部に供給する電力を出力の動作間欠モードの調整により制御することを特徴とする放電装置。

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