JP2012102693A - ガス分解装置およびガス分解方法 - Google Patents

Abstract

【課題】窒素酸化物ガス等の分解すべきガスをプラズマ生成領域に効率よく流入、流出させて、ガスを効率よく分解するガス分解装置およびガス分解方法を提供する。
【解決手段】分解すべきガスが一方向に流れるダクトと、前記ダクト内に、前記ガスの流れ方向に沿うように並列配置された複数の細管と、を有する装置を用いて、ガス分解を行う際、前記ダクトに前記ガスを流す。このとき、前記複数の細管のそれぞれの内壁の、前記ガスの流れ方向の異なる位置に設けられた一対の電極間に交流電圧を印加してプラズマを生成する。このプラズマの生成により、前記ガスの流れの下流方向に前記ガスを吸引する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、生成したプラズマを用いてガス分解を行うガス分解装置およびこの装置を用いて、ガス分解を行うガス分解方法に関する。

従来より、ディーゼル車、船舶、あるいは工場から排出される窒素酸化物ガスによる大気汚染が環境問題として取り上げられている。このために、窒素酸化物ガスを大気に放出する前に窒素酸化物ガスを分解するための方式として、ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）等の触媒方式や大気圧プラズマを用いた無触媒方式が種々提案されている。

上記大気圧プラズマを用いた無触媒方式として、高電力効率の高周波プラズマ生成技術と、この技術を用いた窒素酸化物の分解が提案されている（非特許文献１）。
また、大気圧中、高電圧を与えてプラズマを発生させて、ガスを処理するとき、プラズマで処理されるガス成分の処理濃度をオンラインで取得し、プラズマを生成するための電力の調整を行う装置が知られている（特許文献１）。
上記装置は、具体的には、高周波信号の給電により共振を発生させ、この共振により高電圧を発生させる長尺状の第１の電極と、第１の電極の周りを覆い、第1の電極の少なくとも一方の端から、第1の電極の延長上の離間した位置に、ガス流の供給口が設けられた金属製の筐体と、第１の電極の一方の端の近傍に、一方の端から離間して設けられ、筐体と接続された、アースされた第２の電極と、を有する。第１の電極と第２の電極との間に生成されるプラズマの発光強度を計測センサで計測し、この計測結果を用いて、第１の電極に給電する電力を調整する。

"高エネルギー電子プラズマの生成方法及び窒素酸化物の分解への応用"，吉田卓史，弓井孝佳，木村憲明，三井造船技法Ｎｏ．１９９（２０１０−２），pp.32-pp.38

特開２０１０−０２５０４９号公報

しかし、これらの装置では、プラズマ生成領域にある窒素酸化物ガスを効率よく分解できるが、プラズマ生成領域は狭いため、このガスを効率よく流入、流出させることは難しい。したがって、プラズマ生成領域に窒素酸化物ガスを効率よく流入、流出させて、短時間に多量のガスを分解して排出することは難しい。

そこで、本発明は、窒素酸化物ガス等の分解すべきガスをプラズマ生成領域に効率よく流入してガスを効率よく分解し、分解されたガスを効率よく流出することができるガス分解装置およびガス分解方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、生成したプラズマを用いてガス分解を行うガス分解装置である。
当該装置は、
分解すべきガスが一方向に流れるダクトと、
前記ダクト内に、前記ガスの流れ方向に沿うように並列配置された複数の細管と、
前記複数の細管のそれぞれの内壁の、前記ガスの流れ方向の異なる位置に設けられた一対の電極に交流電圧を印加することにより、前記ガスを用いてプラズマを生成するとともに、前記プラズマの生成により、前記ガスの流れの下流方向に前記ガスを吸引するプラズマアクチュエータと、を有する。

その際、前記細管は誘電体の管であり、前記一対の電極の前記ガスの流れの上流側にある第１電極は、前記細管の壁面に形成され、前記一対の電極の前記ガスの流れの下流側にある第２電極は、前記細管の内径が前記ガスの流れ方向に進むにつれて狭くなるように設けられた傾斜面の前記細管の内部に、前記傾斜面に沿って形成されている、ことが好ましい。

また、前記細管の壁面には、前記第１電極と前記第２電極との間に段差を有するように凹部が形成され、前記第２電極は、前記第１電極に比べて前記細管の外側に位置する、ことが好ましい。
さらに、前記傾斜面は、前記段差の底部から前記細管の内側に向かって滑らかに傾斜する、ことが好ましい。
前記一対の電極を一組として、前記細管には、複数組が前記ガスの流れ方向に直列状に配列されている、ことが好ましい。
前記ガスは、例えば、窒素酸化物のガスを含む。

本発明の他の態様は、分解すべきガスが一方向に流れるダクトと、前記ダクト内に、前記ガスの流れ方向に沿うように並列配置された複数の細管と、を有する装置を用いて、ガス分解を行う方法である。
当該方法は、
前記ダクトに前記ガスを流す工程と、
前記複数の細管のそれぞれの内壁の、前記ガスの流れ方向の異なる位置に設けられた一対の電極に交流電圧を印加してプラズマを生成し、このプラズマの生成により、前記ガスの流れの下流方向に前記ガスを吸引する工程と、を有する。

その際、前記細管は誘電体の管であり、前記一対の電極の前記ガスの流れの上流側にある第１電極は、前記細管の壁面に形成され、前記一対の電極の前記ガスの流れの下流側にある第２電極は、前記細管の内径が前記ガスの流れ方向に進むにつれて狭くなるように設けられた傾斜面の前記細管の内部に、前記傾斜面に沿って形成されている、ことが好ましい。

上記ガス分解装置およびガス分解方法によれば、窒素酸化物ガス等の分解すべきガスをプラズマ生成領域に効率よく流入してガスを効率よく分解し、分解されたガスを効率よく流出することができる。

本実施形態のガス分解方法を実施するガス分解装置の概略図である。 図１に示す細管の長手方向に沿った断面図の一例を示す図である。 本実施形態のプラズマアクチュエータの動作を模式的に説明する図である。 本実施形態の細管におけるＮＯxガスの流れと、プラズマの生成を示す図である。

以下、本発明のガス分解装置およびガス分解方法について詳細に説明する。
図１は、本実施形態のガス分解方法を実施するガス分解装置１０の概略図である。
ガス分解装置１０は、エンジンから排出された排気ガスに含まれるＮＯxガスを分解して排出する装置である。
ガス分解装置１０は、ダクト１２と、複数の細管１４と、プラズマアクチュエータ１６と、高周波高電圧電源１８と、を有する。

ダクト１２は、その一端がエンジンの排気管に接続され、他端が大気に開放する排出管に接続されて、中央部分で径が大きくなった空洞部を有する。ダクト１２は、例えば、セラミック材料で構成されている。
ダクト１２の空洞部には、複数の細管１４が設けられている。具体的には、細管１４はダクト１２内のＮＯxガスの流れ方向に沿うように並列配置されてダクト１２の空洞部内
に設けられている。細管１４は、誘電体、例えば石英で構成されている。
細管１４には、後述するように２つの電極を一対として、複数対の電極が、細管１４の長手方向に配列されている。複数対のそれぞれの一対の電極間には、高周波高電圧電源１８から高周波の高電圧（交流電圧）が印加されるようになっている。例えば、１０〜１００ｋＨｚ、５〜５０ｋＶの電力が一対の電極間に供給される。

図２は、細管１４の長手方向に沿った断面図の一例を示す図である。
細管１４は、細管１４の長手方向に沿って複数のプラズマアクチュエータ１６が直列に設けられている。各プラズマアクチュエータ１６は、電極２０，２２が対を成して、長手方向に隣接して設けられている。電極２０，２２は、いずれも、細管１４の内表面の周状を巻くように形状をした円環状の電極である。電極２０は、電極２２に対して細管１４のＮＯxガスの流れ方向の上流側に位置し、電極２２は、電極２０に対してＮＯxガスの流れ方向の下流側に位置する。電極２０は、細管１４の内側表面に露出して設けられ、電極２２は、細管１４の内側表面から内部に埋め込まれるように設けられている。プラズマアクチュエータ１６の寸法については、例えば、細管１４の外径は５ｍｍ〜２０ｍｍであり、内径は４ｍｍ〜１９ｍｍであり、電極２０と電極２２との間の距離は１ｍｍ〜１０ｍｍであり、電極２２は、細管１４の内側表面から０．１ｍｍ〜２ｍｍの深さに埋め込まれている。
電極２０，２２は、高周波高電圧電源１８に接続されている。

図２に示されるように、ＮＯxガスの流れ方向の上流側の細管１４の端から下流側に進むにつれて、細管１４の内表面の内径が狭くなるように滑らかに傾斜する傾斜面２４が設けられ、この傾斜面２４に電極２０が設けられている。さらに、細管１４の内表面において、電極２０の下流側の直後には、段差によって凹部２６が形成され、この凹部２６からＮＯxガスの流れ方向の下流側に進むにつれて細管１４の内表面の内径が狭くなるように滑らかに傾斜する傾斜面２８が設けられている。細管１４内部の傾斜面２８の位置には、電極２２が設けられている。

このように細管１４の内側表面に、傾斜面２４、段差、凹部２６、傾斜面２８が順番に形成されているのは、電極２０と電極２２との間に高周波高電圧が印加されることにより、電極２０と電極２２との間にＮＯxガスを用いてプラズマを生成し、このプラズマを用いてＮＯｘガスを分解するとともに、このプラズマの生成によって生じる吸引力により、ＮＯxガスを吸引するためである。すなわち、電極２０，２２をプラズマアクチュエータ１６として効率よく機能させるためである。
ガス分解装置１０では、生成したプラズマ内にＮＯxガスを通過させてＮＯxガスをダクト１２内で効率よく分解するために、細管１４が複数並列に配置されている。しかし、細管１４を並列配置することにより、ＮＯxガスが接触する壁面は増大するので、ＮＯxガスの流れを阻害する抵抗（管路抵抗）が大きくなり、効率よくＮＯxガスをプラズマ内に通過させることはできにくくなる。しかし、本実施形態では、電極２０，２２がプラズマアクチュエータ１６として機能するので、この機能により、ＮＯxガスを効率よく吸引することができ、ＮＯxガスをプラズマ内に効率よく通過させることができる。

（プラズマアクチュエータ）
図３は、プラズマアクチュエータ１６の動作を模式的に説明する図である。
図３に示されるように、プラズマアクチュエータとして、誘電体板４０，４２に設けられた一対の電極２０，２２に交流電源４４を用いて高周波電圧が印加される場合を想定する。一方の電極２０はＮＯxガスに曝される。他方の電極２２は誘電体４２により被覆され、ＮＯxガスに曝されない。一対の電極２０，２２に交流電圧を印加すると、一対の電極２０，２２間で局所的にプラズマ４６が発生し、誘起流れが生じる。一対の電極２０，２２に交流電圧を印加することにより誘起流れが生じる厳密なメカニズムは不明であるが、以下に説明するメカニズムにより誘起流れが生じ得ると考えることができる。

一対の電極２０，２２間で局所的にプラズマ４６が発生すると、ＮＯxガスが電離して電荷が生じる。電荷密度ρの電荷に電場Ｅが作用すると、電荷に作用するクーロン力は以下の式（１）で表される。

また、ガスの誘電率をε_０とすると、ガウスの法則は以下の式（２）で表される。

ここで、電極に垂直な方向（図４の上方向）をｚ方向として上記式（１）、式（２）をｚ方向のみ考慮すると、式（２）は下記式（３）で表される。

また、式（１）と式（３）より、下記式（４）が得られる。

式（４）をナビエ・ストークス方程式の圧力項と考えると、圧力ｐ_Ｅは下記式（５）で表される。

式（５）は、一対の電極２０，２２付近に−ｚ方向の圧力が生じることを意味する。本実施形態では、この−ｚ方向の圧力を用いて、供給されたＮＯxガスがプラズマに起因した力により一方向に引かれる特性が利用される。
ガス分解装置１０では、プラズマの生成される領域がＮＯxガスの流れる方向に向くように電極２０，２２の配置を調整することにより、プラズマに起因して作られる力に、ＮＯxガスの流れ方向の成分を含ませることができる。したがって、この力を利用して効率よく、ＮＯxガスを流すことができる。

（ガス分解装置の動作）
図４は、細管１４におけるＮＯxガスの流れと、プラズマの生成を示す図である。
一対の電極２０，２２のうち、電極２２は、細管１４の内径がＮＯxガスの流れ方向に進むにつれて狭くなるように設けられた傾斜面の細管１４の内部に形成されている。より具体的には、電極２０と電極２２との間には、段差を有するように凹部が形成され、電極２２は、電極２０に比べて細管１４の外側に位置し、上記段差から細管１４の内側に向かって滑らかに傾斜する傾斜面の細管１４の内部に位置する。

まず、ダクト１４にＮＯxガスが供給される。このとき、細管１４のそれぞれの内壁に設けられた電極２０，２２間に交流電圧が印加されてプラズマ４６が生成される。このプラズマ４６は、電極２０と、段差２６を挟んで上記傾斜面２８に沿って設けられた電極２２との間で生成されるので、電極２０，２２間に生成されるプラズマの引く力は、傾斜面２８に垂直方向である。この垂直方向は、細管１４の長手方向に成分を有するので、プラズマの引く力は、細管１４の長手方向、すなわち、ＮＯxガスを流す方向に向かう。つまり、プラズマの生成によって、ＮＯxガスは、ＮＯxガスの流れ下流方向に吸引される。

このように、ガス分解のために用いるプラズマに起因して生じる力を利用して、細管１４の上流側から下流側に向けてＮＯxガスを吸引するので、ＮＯxガスの分解のために細管１４を多数並列配置しても、ＮＯxガスの流れが滞留することは無く、円滑に流れる。

本実施形態では、電極２０，２２は、細管１４の内壁面を覆うように形成された円環形状であるが、円環形状のほかに、細管１４の内面の周上の一部に形成されてもよい。
また、プラズマアクチュエータ１６の電極２２は、傾斜面２８の位置に設けられるが、凹部２６の底部に設けられてもよい。このとき、プラズマの発生により生じる力により凹部２６に向く流れを形成したＮＯxガスは、さらに、凹部２６から傾斜面２８に沿って円滑に流れる。

電極２２は、細管１４の内径がＮＯxガスの流れ方向に進むにつれて狭くなるように設けられた傾斜面２８の細管１４の内部に、傾斜面２８に沿って形成されているので、プラズマによって作られる力を利用して、細管１４の長手方向に、上流側から下流側に向けて効率よくＮＯxガスを流し、ＮＯxガスを効率よく分解することができる。
傾斜面２８は、段差の底部から細管１４の内側に向かって滑らかに傾斜するので、ＮＯxガスの停留を起こし難い、
細管１４には、一対の電極２０，２２を一組として、複数組がＮＯxガスの流れ方向に直列状に配列されているので、ＮＯxガスを確実に分解することができるとともに、プラズマによって作られる力を利用して、上流側から下流側に向けて効率よくＮＯxガスを流すことができる。

以上、本発明のガス分解装置およびガス分解方法について詳細に説明したが、本発明のガス分解装置およびガス分解方法は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

１０ ガス分解装置
１２ ダクト
１４ 細管
１６ プラズマアクチュエータ
１８ 高周波高電圧電源
２０，２２ 電極
２４，２８ 傾斜面
２６ 凹部
４０，４２ 誘電体板
４４ 交流電源
４６ プラズマ

Claims (8)

1. 生成したプラズマを用いてガス分解を行うガス分解装置であって、
   分解すべきガスが一方向に流れるダクトと、
   前記ダクト内に、前記ガスの流れ方向に沿うように並列配置された複数の細管と、
   前記複数の細管のそれぞれの内壁の、前記ガスの流れ方向の異なる位置に設けられた一対の電極に交流電圧を印加することにより、前記ガスを用いてプラズマを生成するとともに、前記プラズマの生成により、前記ガスの流れの下流方向に前記ガスを吸引するプラズマアクチュエータと、を有することを特徴とするガス分解装置。
2. 前記細管は誘電体の管であり、
   前記一対の電極の前記ガスの流れの上流側にある第１電極は、前記細管の壁面に形成され、前記一対の電極の前記ガスの流れの下流側にある第２電極は、前記細管の内径が前記ガスの流れ方向に進むにつれて狭くなるように設けられた傾斜面の前記細管の内部に、前記傾斜面に沿って形成されている、請求項１に記載のガス分解装置。
3. 前記細管の壁面には、前記第１電極と前記第２電極との間に段差を有するように凹部が形成され、前記第２電極は、前記第１電極に比べて前記細管の外側に位置する、請求項２に記載のガス分解装置。
4. 前記傾斜面は、前記段差の底部から前記細管の内側に向かって滑らかに傾斜する、請求項２または３に記載のガス分解装置。
5. 前記一対の電極を一組として、前記細管には、複数組が前記ガスの流れ方向に直列状に配列されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のガス分解装置。
6. 前記ガスは、窒素酸化物のガスを含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載のガス分解装置。
7. 分解すべきガスが一方向に流れるダクトと、前記ダクト内に、前記ガスの流れ方向に沿うように並列配置された複数の細管と、を有する装置を用いて、ガス分解を行う方法であって、
   前記ダクトに前記ガスを流す工程と、
   前記複数の細管のそれぞれの内壁の、前記ガスの流れ方向の異なる位置に設けられた一対の電極に交流電圧を印加してプラズマを生成し、このプラズマの生成により、前記ガスの流れの下流方向に前記ガスを吸引する工程と、を有することを特徴とするガス分解方法。
8. 前記細管は誘電体の管であり、
   前記一対の電極の前記ガスの流れの上流側にある第１電極は、前記細管の壁面に形成され、前記一対の電極の前記ガスの流れの下流側にある第２電極は、前記細管の内径が前記ガスの流れ方向に進むにつれて狭くなるように設けられた傾斜面の前記細管の内部に、前記傾斜面に沿って形成されている、請求項７に記載のガス分解方法。