JP2011067779A

JP2011067779A - 放電反応器

Info

Publication number: JP2011067779A
Application number: JP2009221995A
Authority: JP
Inventors: Yohei Kinoshita; 洋平木下; Kotaro Hayashi; 孝太郎林; Hideaki Suzuki; 秀明鈴木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-09-28
Filing date: 2009-09-28
Publication date: 2011-04-07

Abstract

【課題】アーク放電への移行を抑制することが可能な放電反応器を提供する。
【解決手段】被放電空間と、該被放電空間を介して対向するように配置された第１金属電極及び第２金属電極とを備え、第１金属電極及び第２金属電極のうち、長手方向の剛性が低い方の金属電極は長手方向の剛性が高い方の金属電極よりも、被放電空間に面した表面の幅が広い、放電反応器とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、放電反応器に関する。

内燃機関の排気ガスには、ＮＯ_ｘやＳＯ_ｘ等に代表される化学物質が含まれており、これらの化学物質は地球温暖化の一因と考えられている。それゆえ、地球温暖化を抑制するためには、排気ガスから上記化学物質を除去することが重要になる。

排気ガスからＮＯ_ｘやＳＯ_ｘ等を除去する技術として、これまでに、相対する一対の電極にパルス電圧等を印加して発生させたプラズマを用いて排気ガスを浄化する、放電反応器（プラズマリアクタ）が提案されている。また、プラズマリアクタと同様の原理によって発生させたオゾンを用いて水処理等を行う技術として、オゾン発生装置が提案されている。このようなオゾン発生装置に関する技術として、例えば特許文献１には、空隙部及び誘電体を介して対向配設された高圧電極及び接地電極を有し、高圧電極と接地電極との間に高電圧を印加して空隙部内に流通させた原料ガス中にオゾンを発生させるオゾン発生装置が開示されている。この特許文献１には、空隙部及び誘電体を介して対向する高圧電極及び設置電極の長さが同一である形態が示されている。また、特許文献２には、誘電体を挟んで対向させた高圧電極と接地電極との間に交流電圧を印加するようにしたオゾン発生用放電体が開示されている。この特許文献２には、接地電極の幅が高圧電極よりも広く、且つ、接地電極の厚さが高圧電極よりも薄い形態が示されている。

特開２００１−００２４０４号公報実開平６−０３３９３３号公報

特許文献１や特許文献２で用いられているような誘電体は、電界をある程度均一化する機能を有している。そのため、誘電体を用いたプラズマリアクタは、誘電体を有しないプラズマリアクタよりも電界の強さが均一化されやすく、部分的な高電界が形成され難い。また、誘電体を用いたプラズマリアクタでは、特許文献１及び特許文献２に開示されているように誘電体によって電極が固定されるため、電極が湾曲する事態は想定し難い。
これに対し、ガス層を挟んで対向するように配置された一対の電極の間に放電を発生させる、誘電体を有しないプラズマリアクタでは、高電界を形成するために、少なくとも一方の電極を鋭利な構造（例えば、細線や針状等）にする必要がある。鋭利な構造の電極の末端は、曲率が大きいため、高電界が形成されやすく、特に、鋭利な構造の電極が湾曲すると、電極の末端で高電界が形成されやすい。それゆえ、例えば特許文献１に開示されている電極形態を、誘電体を有しないプラズマリアクタに応用すると、印加電圧を上昇させていくにつれて鋭利な構造である電極の末端でアーク放電へと移行しやすく、特に電極が湾曲した場合に、アーク放電へと移行しやすい。アーク放電は不安定な放電であるため、アーク放電が発生すると、プラズマリアクタの性能が低下しやすいという問題があった。

そこで本発明は、アーク放電への移行を抑制することが可能な放電反応器を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明は、被放電空間と、該被放電空間を介して対向するように配置された第１金属電極及び第２金属電極とを備え、第１金属電極及び第２金属電極のうち、長手方向の剛性が低い方の金属電極は長手方向の剛性が高い方の金属電極よりも、被放電空間に面した表面の幅が広いことを特徴とする、放電反応器である。

ここに、本発明において、「長手方向」とは、後述する図２（以下において単に「図２」という。）の紙面左右方向をいう。また、本発明において、「長手方向の剛性」とは、図２の上又は下に凸となるように湾曲させようとする力に対する変形のしにくさをいう。すなわち、「長手方向の剛性が低い方」とは、図２の上又は下に凸となるように湾曲させようとする力が加えられた場合に相対的に変形しやすい方をいい、「長手方向の剛性が高い方」とは、図２の上又は下に凸となるように湾曲させようとする力が加えられた場合に相対的に変形し難い方をいう。また、「長手方向の剛性が低い方の金属電極の被放電空間に面した表面の幅」とは、図２のｗ１をいい、「長手方向の剛性が高い方の金属電極の被放電空間に面した表面の幅」とは、図２のｗ２をいう。また、本発明の「放電反応器」は、排ガス処理用等に利用されるプラズマリアクタのほか、水処理用等に利用されるオゾン発生装置をも含む概念である。

また、上記本発明において、長手方向の剛性が低い方の金属電極の両端が、長手方向の剛性が高い方の金属電極を支持している支持体と対向していることが好ましい。

本発明の放電反応器は、剛性が低い方の金属電極の幅が、剛性が高い方の金属電極の幅よりも広く構成されている。このような構成とすることにより、剛性が低い方の金属電極が湾曲した場合であっても、一対の金属電極間の距離の低下を抑制することができ、電界が過度に強くなり難い形態の放電反応器とすることができる。電界が過度に強くなり難い形態とすることにより、アーク放電へと移行する電圧を高めることが可能になるので、本発明によれば、アーク放電への移行を抑制することが可能な、放電反応器を提供することができる。

また、本発明において、剛性が低い方の金属電極の両端が、剛性が高い方の金属電極を支持している支持体に面していることにより、剛性が低い方の金属電極の両端で、アーク放電への移行を抑制することが可能になる。したがって、かかる形態とすることにより、アーク放電への移行を抑制しやすい放電反応器を提供することができる。

本発明の放電反応器の正面図である。本発明の放電反応器の断面図である。従来の放電反応器の断面図である。ナノパルス放電耐久試験の結果を示す図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の放電反応器１０の正面図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ矢視断面図である。図２の紙面左右方向が、金属電極の長手方向である。図１及び図２に示すように、放電反応器１０は、第１電極部１及び第２電極部２を備えている。第１電極部１は絶縁体３と該絶縁体３に形成された第１金属部４とを備え、第２電極部２は絶縁体３と該絶縁体３に形成された第２金属部５とを備え、放電電極として機能する第１金属部４及び接地電極として機能する第２金属部５は、空間６を介して対向するように配置されている。図２に示すように、線状に構成される第１金属部４は、板状に構成される第２金属部５に面する放電部４ａを有しており、第１金属部４は、図示されていない通電部から放電部４ａへ電流を導くことができるように構成されている。また、第１金属部４と同一の材料によって構成される第２金属部５は、第１金属部４に面する放電部５ａを有しており、第２金属部５は、図示されていない通電部から放電部５ａへ電流を導くことができるように構成されている。放電反応器１０において、第１金属部４が第１金属電極として機能し、第２金属部５が第２金属電極として機能し、空間６が被放電空間として機能し、第２金属部５の絶縁体３が支持体として機能する。

図２に示すように、第１金属部４は第２金属部５よりも厚さが薄い。そのため、第１金属部４は、第２金属部５よりも長手方向の剛性が低い。また、図２に示すように、放電反応器１０では、放電部４ａの幅ｗ１が放電部５ａの幅ｗ２よりも広く、放電部４ａの両端は放電部５ａを有する第２金属部５が配設されている絶縁体３に面して（対向して）いる。図３は、従来の放電反応器の形態例を示す断面図である。図３に示す従来の放電反応器では、一対の金属電極間の距離がｄ１となるように配設されている。これに対し、図２に示す放電反応器１０において、放電部４ａの幅方向（図２の紙面左右方向。以下において同じ。）中央部と放電部５ａの幅方向中央部との距離がｄ１となるように、第１電極部１及び第２電極部２を配設すると、放電部４ａの末端と放電部５ａとの距離は、ｄ１よりも大きいｄ２になる。すなわち、放電反応器１０は、相対的に剛性が低い金属電極の末端と相対的に剛性が高い金属電極との距離を従来の放電反応器よりも増大させることができるので、従来の放電反応器よりも、電界が過度に強くなる事態を抑制することが可能になる。電界が過度に強くなる事態を抑制することにより、アーク放電へと移行する電圧を増大させることが可能になり、アーク放電への移行を抑制することが可能になる。したがって、本発明によれば、アーク放電への移行を抑制することが可能な、放電反応器１０を提供することができる。また、アーク放電への移行を抑制することにより、放電を安定的に発生させることが可能になる。そのため、本発明によれば、性能を安定化させた放電反応器１０を提供することも可能になる。

本発明の放電反応器１０において、放電部４ａの幅ｗ１は、例えば１０ｃｍとすることができ、放電部５ａの幅ｗ２は、例えば８ｃｍとすることができる。

また、本発明の放電反応器１０において、絶縁体３は、プラズマリアクタに使用可能な公知の絶縁体を適宜用いることができる。絶縁体３の具体例としては、アクリル樹脂等の有機絶縁材料や、アルミナ、シリカ等の無機絶縁材料等を挙げることができる。また、本発明の放電反応器１０において、第１金属部４及び第２金属部５は、プラズマリアクタに使用可能な公知の金属を適宜用いることができる。第１金属部４及び第２金属部５を構成し得る金属の具体例としては、アルミニウム、タングステン、ステンレス鋼、白金等を挙げることができる。

また、本発明の放電反応器１０において、第１金属部４及び第２金属部５は、接着、めっき、焼結等により絶縁体３へ形成することができる。また、本発明の放電反応器１０において、放電部４ａの厚さ（図２の紙面上下方向の厚さ）は、例えば、０．１ｍｍとすることができ、第２金属部５の厚さ（図２の紙面上下方向の厚さ）は、例えば、１ｍｍとすることができる。また、本発明の放電反応器１０において、放電部４ａと放電部５ａとの距離ｄ１は、例えば、５ｍｍとすることができる。なお、本発明の放電反応器において、剛性が低い電極は針状電極や線状電極等、鋭利な電極であっても良い。

図１及び図２に示す放電反応器１０、並びに、図３に示す従来の放電反応器を用い、放電電圧を上昇させて放電を発生させるナノパルス放電耐久試験を行った。具体的に、放電反応器１０では、放電部４ａの幅ｗ１を１０ｃｍ、放電部５ａの幅ｗ２を８ｃｍとした。一方、従来の放電反応器では、放電部４ａに対応する第１金属電極の幅を１０ｃｍとし、放電部５ａに対応する第２金属電極の幅を１２ｃｍとした。また、放電反応器１０及び従来の放電反応器において、ｄ１は５ｍｍとした。

このような放電反応器を用いてナノパルス放電耐久試験を行った結果を図４に示す。図４（ａ）は放電反応器１０を用いたナノパルス放電耐久試験（本発明例）の結果であり、従来の放電反応器を用いたナノパルス放電耐久試験（比較例）の結果を併せて示している。これに対し、図４（ｂ）は従来の放電反応器を用いたナノパルス放電耐久試験（比較例）の結果である。図４（ａ）及び図４（ｂ）の縦軸は電力［Ｗ］、横軸は電圧［ｋＶ］である。

図４（ａ）に示すように、放電反応器１０では、オシロスコープ（ＴＤＳ３０３２Ｂ、テクトロニクス社製）、電圧プローブ（Ｐ６０１５Ａ、テクトロニクス社製）、及び、電流プローブ（Ｐ６０２１、テクトロニクス社製）により測定した印加電圧が９．５ｋＶ程度から放電が開始され、印加電圧が１８ｋＶになった時点でアーク放電へと移行した。これに対し、図４（ｂ）に示すように、従来の放電反応器では、測定した印加電圧が９．５ｋＶ程度から放電が開始され、印加電圧が１５ｋＶになった時点でアーク放電へと移行した。以上の実験から、本発明の放電反応器１０によれば、アーク放電へと移行する電圧を高めることができ、アーク放電への移行を抑制可能であることが確認できた。

本発明の放電反応器は、排ガス浄化装置や水処理装置等に利用することができる。

ｗ１…剛性が低い方の金属電極の幅
ｗ２…剛性が高い方の金属電極の幅
１…第１電極部
２…第２電極部
３…絶縁体（支持体）
４…第１金属部（第１金属電極）
４ａ…放電部
５…第２金属部（第２金属電極）
５ａ…放電部
６…空間（被放電空間）
１０…放電反応器

Claims

被放電空間と、該被放電空間を介して対向するように配置された第１金属電極及び第２金属電極とを備え、
前記第１金属電極及び前記第２金属電極のうち、長手方向の剛性が低い方の金属電極は長手方向の剛性が高い方の金属電極よりも、前記被放電空間に面した表面の幅が広いことを特徴とする、放電反応器。
前記長手方向の剛性が低い方の金属電極の両端が、前記長手方向の剛性が高い方の金属電極を支持している支持体と対向していることを特徴とする、請求項１に記載の放電反応器。