JP2008500487A - ガスまたは煙を化学的に変性する方法および手段 - Google Patents

Abstract

フィルターの入口側に最大プラズマ密度（ｄ）を有する電気的プラズマ処理することにより、フィルター（１）を通して、その入口側から出口側に供給されるガスまたは煙を、変性するための方法および手段。ガスまたは煙は、ＮＯｘを含んでなることができ、フィルターは、ＮＯｘ変性に適した、触媒作用する材料から構成することができる。フィルターは、例えばフィルターの表面および／またはフィルター内部に堆積した煤堆積物で汚染されていてもよい。変性手段は、高電圧（Ｖ１）に接続された、フィルターの入口側にある第一電極機構（２）およびフィルターの出口側にある第二電極機構（３）を含んでなる。好ましくは、第一電極機構は、それぞれ高電圧供給源（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３）に接続された２つ以上の組み合わされた電極群を含んでなる。

Description

発明の分野

本発明は、ガスまたは煙、例えば、これに限定するものではないが、ディーゼルエンジンのような燃焼機関から発生してフィルターを通して供給される排ガスまたは煙を、化学的に変性する方法および手段に関する。

発明の背景

排ガスの成分、例えばＮＯ_ｘ（ＮＯ、ＮＯ_２、...）、炭、煤などを化学的に転化するための電気プラズマの使用は、１９９４年頃から、種々の（特許）文献から公知である。

水および／または酸素の存在下で、プラズマは、強酸化性ラジカル、例えばＯＨ、ＨＯ２、Ｏ、およびＯ２の陰イオンを形成する。化学的速度論計算(R.Dorai,J.Appl.Phys.Vol88,No.10,2000)により、排ガス中の炭化水素の電子衝撃解離が、酸化性化合物の総濃度に寄与することも示されている。

プラズマを煤および／またはＮＯｘ転化に応用するために、ガス透過性誘電体フィルター材料を、電極間の隙間に設けることが提案されている。これらの材料の例は、充填されたペレット床および様々な主要細孔径を有するセラミックフォームである。これらの材料は、煤粒子、粉塵粒子または生存している微生物を含む粒子のような物質を収集（この収集は、機械的または静電気的に強化することができる）するため、またはそれらの材料の触媒的特性のために、不可欠である。

煤粒子およびＮＯｘの両方を単一のプラズマ反応器中で転化するため、多くの試みがなされている。しかしながら、電気的プラズマ中では、ＮＯがＮＯ２に容易に酸化され、ＮＯ２による煤の酸化がＮＯを再形成するために、区分する手法も研究されている。区分する手法においては、煤は第一区分で濾過されてプラズマにより転化され、残りのＮＯｘ濃縮物が第二区分で、好ましくは触媒の存在下で、プラズマによりさらに処理される。

煤転化には、種々のフィルターおよび電極構造が提案されている。例えばS.Muellerら(Hakone Conference, Greifswald, 11-13 september 2000)により提案されたウォール−フロー型プラズマフィルターでは、フィルターの細孔径が、主要粒子物質全体をフィルター表面で収集するために十分に小さい。いわゆるフロースルー型フィルターでは、粒子は、セラミック充填床中または比較的開いたセラミックフォーム中に集められ、そこでは主要細孔径が粒子径より大きい。この型のプラズマフィルターは、AET Technologyにより国際特許公開ＷＯ００／７１８６６号において提案されている。

ＮＯｘ転化を最適化するために、比較的大きなガス不透過性電極を備えたプラズマ反応器が提案されており、この反応器は、電極の少なくとも一個が、触媒作用する材料で被覆された誘電体バリヤーにより覆われている。この型の反応器の例は、特許（例えばDelphi Technologiesの米国特許公開２００１／００４００８９号）に開示されている。

既存のウォール−フロープラズマフィルターの欠点は、プラズマにより濾過されない小さな粒子が生じたり、またはフィルターの細孔径が、許容できない圧力低下を引き起こすことである。フロースループラズマフィルターは、必要なフィルター厚が比較的厚く、プラズマ分布が不均質になるのが難点である。既存の一般的なプラズマ反応器の重大な欠点は、煤および／またはＮＯｘ転化の両方に対して、それらのエネルギー消費量が高いことである。自動車用途には、電気的プラズマを発生させるために、２〜４％の余分な燃料消費が許容される。しかし、この特定の燃料消費における電気的プラズマパワーは、公知のプラズマ反応器を使用して煤およびＮＯｘを効果的に転化するには、不十分である。

発明の概要

本発明の目的は、転化方法を、より効率的かつ効果的にするために改良することである。

本発明の一態様においては、プラズマを、例えば誘電体フィルター材料中で発生させ、誘電体フィルター材料を通してガスを入口側から出口側に供給し、誘電体フィルター材料は、時間−平均されたプラズマエネルギー密度（略してプラズマ密度と呼ぶ。）を有し、その密度は、フィルターを通る流れ方向で不均質であり、フィルターの入口側で最大である。

フィルターの入口側で高プラズマ密度区域を有し、総フィルター体積の主要部分において比較的低いプラズマ密度を有するプラズマ密度分布が、煤および／またはＮＯｘ転化にとって有益である。

煤粒子全体の、比較的大きな粒子の形態にある実質的な部分は、フィルター入口側にある高プラズマ密度区域で効果的に処理される。一般的に砕け易い(fractal)構造を有する煤粒子は、プラズマ酸化および／またはプラズマ誘発される圧力波により、微小粒子に崩壊する。比較的小さな粒子は、プラズマ密度が比較的低いフィルター部分で効果的に捕獲され、最小限のエネルギーコストで効果的に酸化される。

ＮＯｘ転化にとっても、フィルター入口側にある、プラズマ密度が高い比較的小さな区域は有利である。高プラズマ密度区域で、急速なラジカル反応がＮＯからＮＯ２への転化に使用されるのに対し、プラズマ密度が低い、比較的大きな体積では、ＮＯ２からＮ２への（比較的）遅い触媒作用による転化が、比較的低いラジカル形成により、持続される。高密度プラズマによりＮＯからＮＯ２に転化する区域を、ＮＯ２からＮ２へ触媒還元が持続する、比較的低いプラズマ密度の区域から分離することにより、ＮＯ２からＮＯに戻る転化が効果的に制限される。

フィルターの入口側における第一電極機構と、フィルターの出口側における第二電極機構との間に電界を印加することにより、フィルターを横切って、その流れ方向で、好ましい不均質な密度を有するプラズマを引き起こす電界を発生させることができる。好ましくは、第一電極機構は、誘電体バリヤーを有する一個以上の電極を含んでなり、第二電極機構は、主として平らな全体的形状を有する電極を含んでなる。誘電体バリヤーは、関連する電極の周りに、誘電体被覆またはカバーにより形成することができ、好ましくない熱放出を阻止する。第二電極機構は、主として平らな全体的形状を有し、複数の関連する鋭い電極を含んでなり、両電極間にかなり規則的な（多かれ少なかれ平行な）放電のパターンを形成し、所望のプラズマを形成することができる。

第一電極機構の電極と第二電極機構の電極との間に、単一の高電圧供給源を接続することができる。プラズマ密度は、誘電体バリヤーで被覆された第一電極群の近くで最大になる。第一電極機構の個々の電極間に電界が無いので、そこではプラズマが形成されないのが欠点であろう。

この欠点を改良するために、好ましくは、第一電極機構の個々の電極間に（追加の）電界を発生させて、フィルター入口側におけるプラズマ形成を増加し、それによって、効果を増大させることができる。第一電極機構が第一電極群を含んでなり、第二電極機構が第二電極群を含んでなる好ましい実施態様においては、第一電極機構が、第三電極群をさらに含んでなり、その第三電極群は、第一電極群間に組み合わされていてよい。フィルターのどちらかの側で、第一と第二の電極群との間に、およびフィルターの入口側で、第一の電極群と第三の電極群との間に高電圧を印加する。高電圧は、フィルターのいずれかの側で、第三と第二の電極群との間に印加してもよい。第三と第二の電極群との間への高電圧印加は、第一と第二の電極群との間への高電圧印加に加えて行うか、または後者を置き換えてもよい。

高電圧を印加する電極群の対毎に、これらの対になった電極群の一方または両方の電極を誘電体バリヤーで覆い、これらの電極間の直接的な（熱）放出を阻止するのが好ましい。従って、いずれもフィルターの入口側に位置する第一および第三群の電極から形成された電極群の第一の対において、第一または第三電極群もしくはその両方の電極を誘電体バリヤーで覆う必要がある。また、フィルターの両側に位置する、電極間に高電圧を印加する電極群の第二の対、すなわち第一および第二群の電極において、これらの第一または第二電極群の電極もしくはその両方を誘電体バリヤーで覆う必要がある。最後に、フィルターの両側に位置する、電極間に高電圧を印加する電極群の第三の誘電体バリヤーで覆う必要がある。

図１は、入口側(「ＩＮ」)から出口側(「ＯＵＴ」)に供給されるガスを化学的に変性するために使用される、例えばセラミックフォームのフィルター１を示す。このフィルターは、フィルターを電気的プラズマ処理するための手段をさらに含んでなる装置の一部であり、電気的プラズマのプラズマ密度は、フィルターの入口側で最大である。

フィルターの入口側に供給されるガスは、煤粒子を含んでもよく、フィルターの細孔径は、フィルター表面および／またはフィルター内側において、粒子を堆積させるのに十分に小さく、この装置は、そのような堆積物で汚染されたフィルターを（プラズマ−化学的に）浄化するのに適している。ガスは、ＮＯ_ｘ、例えばＮＯおよび／またはＮＯ_２、を含んでなることもでき、フィルター材料は、ＮＯおよび／またはＮＯ_２をＮ_２に、または液体もしくは固体Ｎ−化合物に変性するのに適した、触媒作用を有する材料、例えばＡｌ_２Ｏ_３、を含むことができる。

フィルターの入口側で最大であるプラズマ密度を有するように、フィルターを電気的プラズマ処理する手段は、フィルターの入口側にある第一電極機構２およびフィルターの出口側にある第二電極機構３を含んでなる。図１および２の実施態様では、第一電極機構が、幾つかの、誘電体バリヤー５（例えばセラミック被覆またはカバー）を有する電極４を含んでなる。第二電極機構は、主として平らな全体的形状を有する電極３により形成される。第二電極機構３は、好ましくは複数の関連する鋭い小電極６を含んでなる。電極３は、主として平らな全体的形状を有するが、複数の関連する鋭い小電極６は、電極機構２と３の間に印加される中（高）電圧で（マイクロ）放電の開始点のかなり均質な配分を達成する。

図１の実施態様では、第一電極機構２のすべての電極４と、第二電極機構３の電極６との間に高電圧Ｖ１が印加される。Ｖ１の供給源は、好ましくは関連する電極機構間に大多数のマイクロ放電を同時に形成し、間隔的に配分し易くする交流高電圧を発生するＡＣ高電圧供給源でよい。この図の上部にあるグラフに、プラズマ密度配分（ｄ）を図式的に示す。フィルターの入口側にある、分離された、例えば管状、長円形または長方形状の電極棒を覆う誘電体バリヤーにより、プラズマ密度は、その入口側で最大（矢印７参照）になる。好ましくは、フィルター材料は、誘電体バリヤー５とフィルター材料１との間の接触表面ができるだけ大きくなるような形状を有する。これは、フィルター材料中に部分的に埋め込まれている、数多くの円筒形誘電体バリヤー電極を使用することにより、達成できる。

図２は、第一電極機構２が、２群の相互に組み合わされた電極、すなわち電極４を含んでなり、誘電体バリヤー５で被覆された一群（第一電極群）、および電極４ａを含んでなり、誘電体バリヤー５ａで被覆された電極群（第三電極群）、を含んでなる実施態様を示す。３つの電極群４、４ａおよび６は、Ｖ１、Ｖ２およびＶ３で示される高電圧に対を形成するように接続されている。これらの高電圧Ｖ１、Ｖ２およびＶ３は、異なった様式で発生させることができる。例えば、端子Ｇ１およびＧ２を、Ｖ１を発生する電圧供給源に、端子Ｇ３およびＧ２を、Ｖ２を発生する電圧供給源に、および端子Ｇ１およびＧ３を、Ｖ３を発生する第三の電圧供給源に接続することができる。あるいは、Ｖ１およびＶ２を発生する両電圧供給源が、相互に異なった瞬時の電圧を有し、端子Ｇ１とＧ３との間に電圧Ｖ３を生じる場合、第三電圧Ｖ３を、Ｖ１およびＶ２を発生する電圧供給源により発生させることもできる。端子Ｇ１とＧ３との間にＶ３を印加することにより、フィルターの入口側にある電極４と４ａとの間にさらなるプラズマ（矢印８で示す）が発生し、フィルターの効率が向上する。フィルター１の入口側の中でプラズマ密度が増加することに加えて、電圧Ｖ３により、ガス流の主方向に対して直角の方向におけるプラズマ密度の配分が改善される。

好ましくは、電極群４および４ａの電極を被覆する誘電体バリヤー５の厚さは、フィルター材料１の側で、ガス流が進入する側よりも小さい。その結果、プラズマは、フィルター材料の、誘電体バリヤー５との境界を有する部分（矢印７参照）に集中する。誘電体バリヤーの厚さは、好ましくは、円筒形になった内側表面および長円形または楕円形の外側表面を有する誘電体バリヤー（５）を使用することにより、変えることができる。

フィルターの入口側におけるフィルター材料の形状、比誘電率および気孔率に応じて、表面放電をフィルターの入口表面に沿って発生させることができる。表面放電（矢印８参照）は、フィルター１の表面を、その表面上に堆積した煤、等から浄化する。煤粒子を表面放電浄化するには、フィルター入口で小さな典型的な細孔径を有し、比誘電率が高い材料（例えばＢａＴｉＯ_３）から構成されたフィルター材料が好ましい。このプラズマ密度分布を、図２の右側上部に示す。

図３は、第一電極機構２が２群の組み合わされた電極を含んでなる、別の実施態様を示す。一電極群（第一電極群）の電極４は誘電体バリヤー５により被覆されているのに対し、別の電極群（第三電極群）の電極４ａは、誘電体バリヤーにより被覆されていないが、鋭い電極構造を有する。フィルターの出口側にある第二電極機構３を形成する電極９（第二電極群）は、この実施態様では、誘電体バリヤー１０により被覆されている。その結果、第一電極群の電極４と第二群の電極９との間の電圧Ｖ１により、電極４の周りに高プラズマ密度が生じると共に、電極４と電極４ａとの間に印加された電圧Ｖ３により、電極４と電極４ａとの間に高プラズマ密度８が生じる。さらに、電極４ａと９との間の電圧Ｖ２により、バリヤー１０により被覆された電極９の周りにプラズマ集中１１が生じ、フィルターの出口側におけるプラズマ密度が増加する（この図の上部にある密度分布も参照）。

図４は、２つの独立した高電圧、すなわち端子ＡとＢとの間の電圧Ｖ１および端子ＡとＣとの間の電圧Ｖ２、の供給に使用される高電圧供給源の例を示す。これらの電圧Ｖ１およびＶ２は、相互に異なった瞬間的電圧を有し、従って、端子ＢとＣとの間に電圧Ｖ３（Ｖ３＝Ｖ１−Ｖ２）を供給することができる。端子Ａは、図２および３における端子Ｇ２に、端子Ｂは端子Ｇに、端子Ｃは端子Ｇ３に接続することができる。

図４に示す回路は、共通の接地電位および高電圧出力としてＶ１およびＶ２を有する、２基の等しい高電圧パルス変圧器を使用する。変圧器の一次側は、２個の等しい、いわゆるＨブリッジ回路で供給される。各ブリッジの４個の分岐は、半導体スイッチ、例えばＩＧＢＴ、を使用して開閉することができる。交流電圧パルスを発生させるために、これらのスイッチを使用し、変圧器の一次コイルを通して電流パルスを交流方向で印加する。Ｖ１とＶ２の瞬間的電圧差−Ｖ３を生じる−は、Ｈブリッジ回路１および２を開閉する反復トリガーパルス間の調整可能な瞬間的移相により発生させることができる。

第一電極機構２を、異なった電圧供給源により供給する二つ以上の電極群（Ｇ１、Ｇ３）に分離することにより、１電圧供給源あたりの電気的キャパシタンスが低下する。このキャパシタンス低下により、高周波数ＡＣ電圧または急速に上昇する高電圧パルスの発生が容易になる。短い電圧上昇時間および／または短いパルス持続時間は、マイクロ放電分布およびエネルギー効率に好ましい影響を及ぼす。

図５は、図３の実施態様と同等の実施態様を示す。違いは、端子Ｇ１およびＧ２が相互に接続されていることである。そのために、Ｖ１はゼロになり、Ｖ２はＶ３と等しくてよい（図３と比較）。端子Ｇ３（フィルターの入口側で、被覆されていない電極４Ａに接続）は、接地電位に接続することができる。端子Ｇ１およびＧ２（フィルターの両側で、被覆された電極に接続）は、単一の高電圧供給源に接続することができる。第一に、高密度プラズマ８が、電極４Ａと電極４（誘電体バリヤー５により被覆されている）との間に形成され、高密度プラズマ区域が、多孔質フィルター材料１との境界にある誘電体バリヤー表面区域（矢印７で示す）にまで伸びている。プラズマは、電極機構２の方向でさらに伸び、フィルター材料１の内側部分に低プラズマ密度区域を生じる。

この図に示す実施態様の利点は、２種類以上の移相された電圧の代わりに、１種類の電圧だけを発生する単一の電圧供給源により電気的に供給できることである。印加された１電圧パルスあたりのフィルター内部におけるプラズマエネルギーの量は、電極群３と電極群２との間の電気的キャパシタンスによって異なり、高電圧パルスの長さを制限することにより、さらに制御することができる。電極群３と２との間のプラズマ形成に要する時間は、電極群３と１との間のプラズマ形成に要する時間より長い（マイクロ放電の伝搬速度が限られているため）ので、短い高電圧パルスの長さを使用してフィルター内部におけるプラズマエネルギーの量を制御することができる。

図６は、単一の高電圧供給源を使用して操作できる、もう一つの好ましい実施態様を示す。この特別な実施態様では、全ての電極が誘電体バリヤーにより覆われており、これは、過酷なガス条件下、例えば高温および化学的反応性ガスの組合せ、での電極の浸食を回避するのに有益である。

プラズマは、端子Ｇ１およびＧ２を接地し、反復する交流高電圧パルスを端子Ｇ３に印加することにより、開始することができる。それぞれのパルスで、プラズマは、誘電体バリヤー５および５ａにより被覆された電極４と４ａとの間で形成され、高密度プラズマ区域をフィルターの入口側に生じる（７および８）。このプラズマは、電極９に向かってさらに広がる。やはり、印加された１パルスあたりの、フィルター内側におけるプラズマエネルギーの相対的な量は、電極群３と電極群２との間の電気的キャパシタンスによって異なり、高電圧パルスの長さを制限することにより、さらに制御することができる。

上記の方法を実行するための装置の、第一の好ましい実施態様を示したものである。 そのような装置の第二の好ましい実施態様を示したものである。 第三の好ましい装置実施態様を示したものである。 二重高電圧供給源の例を示す。 第四の好ましい装置実施態様を示す。 第五の好ましい装置実施態様を示す。

Claims (17)

1. フィルター（１）を通して、前記フィルターの入口側から前記フィルターの出口側に供給されるガスまたは煙を化学的に変性する方法であって、前記フィルターが、フィルターの入口側において最大であるプラズマ密度（ｄ）を有する電気的プラズマ処理されたものである、方法。
2. 前記ガスまたは煙がＮＯおよび／またはＮＯ_２を含んでなり、前記フィルターが、ＮＯおよび／またはＮＯ_２をＮ_２に、または液体もしくは固体Ｎ−化合物に変性するのに適した、触媒作用を有する材料から構成される、請求項１に記載の方法。
3. 前記ガスまたは煙により前記フィルターの表面上および／または前記フィルターの内側に堆積した堆積物で汚染された前記フィルターを浄化するのに適している、請求項１に記載の方法。
4. 前記フィルターが、前記ガスまたは煙により堆積した煤堆積物で汚染されている、請求項３に記載の方法。
5. フィルター（１）を通して、前記フィルターの入口側から前記フィルターの出口側に供給されるガスまたは煙を化学的に変性する装置であって、前記装置が、前記フィルターを、フィルターの入口側で最大である（７、８）プラズマ密度（ｄ）を有する電気的プラズマ処理する手段（２、３）を含んでなる、装置。
6. 前記フィルターを電気的プラズマ処理する手段が、前記フィルターの入口側における第一電極機構（２）および前記フィルターの出口側における第二電極機構（３）を含んでなる、請求項５に記載の装置。
7. 前記第一電極機構が電極（４）の第一群を含んでなり、前記電極（４）の第一群の電極が誘電体バリヤー（５）により被覆されており、前記第二電極機構（３）が電極（６）の第二群を含んでなり、前記電極（６）の第二群の電極が誘電体バリヤーで被覆されておらず、前記電極（４）の第一群と前記電極（６）の第二群との間に高電圧が印加される、請求項６に記載の装置。
8. 前記第一電極機構が電極（４）の第一群（Ｇ１）を含んでなり、前記第二電極機構（３）が電極（６、９）の第二群（Ｇ２）を含んでなり、前記第一電極機構が、電極（４ａ）の第三群（Ｇ３）をさらに含んでなり、前記電極（４）の第一群と前記電極（４ａ）の第三群との間に高電圧が印加され、前記電極（４、４ａ）の第一および／または第三群と前記電極（６、９）の第二群との間に高電圧が印加される、請求項６に記載の装置。
9. 前記３電極群の少なくとも２つが誘電体バリヤー（５、５ａ、１０）により被覆される、請求項８に記載の装置。
10. 前記第二電極群（３）が、主として平らな全体的形状を有する、誘電体バリヤーにより被覆されていない、複数の関連する鋭い電極（６）を含んでなる、請求項７または８に記載の装置。
11. 前記第三電極群の電極が、関連する鋭い構造を有する、誘電体バリヤーにより被覆されていない電極（４ａ）を含んでなる、請求項８に記載の装置。
12. 前記第一電極群の電極（４）および前記第二電極群の電極（９）が電気的に相互接続されている、請求項８に記載の装置。
13. 前記第三電極群と、前記第一または第二電極群との間にそれぞれ印加された高電圧の電圧パルスの長さを制御し、前記フィルターの入口で消失するプラズマエネルギーの量と比較して、前記フィルターの内側で消失するプラズマエネルギーの比率を制御するための手段を含んでなる、請求項８に記載の装置。
14. 前記関連する誘電体バリヤー（５、５ａ、１０）が前記フィルター材料（１）の中に部分的に埋め込まれており、前記誘電体バリヤーの厚さが、前記フィルター材料（１）に近い所で、前記フィルター材料の外側にある部分よりも小さい、請求項７または８に記載の装置。
15. 前記誘電体バリヤー電極（５、５ａ、１０）が長円形状を有し、前記電極（４、４ａ、９）が円筒形状を有する、請求項１４に記載の装置。
16. 前記ガスまたは煙がＮＯおよび／またはＮＯ_２を含んでなり、前記フィルターが、ＮＯおよび／またはＮＯ_２をＮ_２に、または液体もしくは固体Ｎ−化合物に変性するのに適した、触媒作用を有する材料から構成される、請求項５に記載の装置。
17. 前記ガスまたは煙により前記フィルターの表面および／または前記フィルターの内側に堆積した堆積物で汚染された前記フィルターを浄化するのに適している、請求項５に記載の装置。

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