JP2017014948A - プラズマ発生用電極、電極パネルおよびプラズマリアクタ - Google Patents

Abstract

【課題】誘電体の表面にＰＭが堆積することを抑制できる、プラズマ発生用電極、電極パネルおよびプラズマリアクタを提供する。【解決手段】電極２３は、縦方向および横方向にそれぞれ延びる線状部３１，３２を有する格子状をなし、２本の縦線状部３１および２本の横線状部３２に取り囲まれる四角形状の網目３３を多数有している。網目３３は、排ガスの流通方向の最上流側の第１部分３４で最も小さく（細かく）、排ガスの流通方向の下流側ほど段階的に大きく（粗く）なっている。言い換えれば、電極２３の縦線状部３１および横線状部３２による格子の密度は、排ガスの流通方向の最上流側の第１部分３４で最も高く、排ガスの流通方向の下流側ほど段階的に低くなっている。【選択図】図２

Description

本発明は、プラズマ発生用電極、電極パネルおよびプラズマリアクタに関し、とくに、内燃機関（エンジン）からの排ガスに含まれるＰＭ（粒子状物質）を除去するための装置に好適なプラズマ発生用電極、電極パネルおよびプラズマリアクタに関する。

エンジン、とくにディーゼルエンジンから排出される排ガスには、ＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）およびＰＭ（Particulate Matter：粒子状物質）などが含まれる。

排ガスに含まれるＰＭを除去する手法として、たとえば、ＰＭをＤＰＦ（Diesel particulate filter）で捕集し、燃料のポスト噴射または排気管内噴射により排ガスを昇温させて、ＤＰＦに捕集されたＰＭを燃焼させる手法が提案されている。しかしながら、この手法は、ＰＭを燃焼させる際に燃料を消費することによる燃費の悪化の問題を有している。また、いわゆる街乗り（市街地走行）では、排ガスの温度がＰＭを燃焼させる高温にならないため、かかる手法は、街乗りに多用される小型車には不向きである。

そこで、排ガスの流れ方向と平行、かつ、その流れ方向と直交する方向に互いに対向するように配置された複数の平板状の誘電体にそれぞれ電極を内蔵し、電極間に電圧を印加することにより、低温プラズマ（非平衡プラズマ）を発生させて、誘電体間を流れる排ガス中のＰＭを酸化して除去する手法が提案されている。

特許第４２２０７７８号公報

ところが、排ガス中のＰＭは誘電体間を下流側に進むにつれて酸化するため、誘電体間（反応器内）のＰＭ濃度に偏りが生じる。その結果、図５に示されるように、誘電体間の上流側において、ＰＭが誘電体の表面に付着して堆積するおそれがある。誘電体の表面におけるＰＭの堆積は、ＰＭ除去性能の低下の原因となる。

本発明の目的は、誘電体の表面にＰＭが堆積することを抑制できる、プラズマ発生用電極、電極パネルおよびプラズマリアクタを提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明の一の局面に係るプラズマ発生用電極は、排ガスの流通方向に延在する誘電体を備えるプラズマリアクタに用いられ、プラズマを発生させるためのプラズマ発生用電極であって、流通方向の上流側部分には、厚さ方向に貫通する孔が相対的に高い密度で形成され、下流側部分には、厚さ方向に貫通する孔が相対的に低い密度で形成され、孔は、平面視で、多角形状である。

なお、密度とは、単位面積当たりの孔の個数である。

この構成によれば、プラズマ発生用電極における排ガスの流通方向の上流側部分では、孔が相対的に高い密度で形成されているので、相対的に高いプラズマ密度のプラズマを発生させることができ、下流側部分では、孔が相対的に低い密度で形成されているので、相対的に低いプラズマ密度のプラズマを発生させることができる。その結果、プラズマ反応器の上流側では、ＰＭを効率よく除去することができ、誘電体の表面にＰＭが堆積することを抑制できる。一方、プラズマ反応器の下流側では、上流側で除去されずに流下したＰＭが誘電体の表面に付着しても、そのＰＭを下流側部分で発生したプラズマまたは上流側から流下した活性種（ラジカル、オゾンなど）により除去することができ、誘電体の表面にＰＭが堆積することを抑制できる。

よって、誘電体の表面にＰＭが堆積することを抑制でき、ＰＭ除去性能の低下を抑制することができる。

さらには、孔が平面視で多角形状であることにより、孔の各角がプラズマ発生用電極に電圧が印加されたときの放電の起点になるので、密度の高いプラズマを発生することが可能となる。

プラズマ発生用電極は、縦方向に延びる複数の縦線状部および横方向に延びる複数の横線状部を有する格子状をなしていてもよい。

この場合、孔は、格子状の網目であってもよい。

たとえば、上流側部分における縦線状部間の間隔と横線状部間の間隔とが同じである場合、プラズマ発生用電極の下流側部分では、縦線状部間の間隔が横線状部間の間隔よりも広く設定されているか、または、横線状部間の間隔が縦線状部間の間隔よりも広く設定されていてもよい。

これにより、上流側部分において、下流側部分と比較して、孔（網目）のサイズを小さくすることができ、孔の密度を高くすることができる。

また、上流側部分における縦線状部間の間隔と横線状部間の間隔とが同じであるか否かに拘わらず、プラズマ発生用電極の上流側部分では、下流側部分と比較して、縦線状部間の間隔および／または横線状部間の間隔が狭く設定されてもよい。

これにより、上流側部分において、下流側部分と比較して、孔（網目）のサイズを小さくすることができ、孔の密度を高くすることができる。

また、本発明は、プラズマ発生用電極の形態のみならず、誘電体および電極を備える電極パネルや、複数の電極パネルを備えるプラズマリアクタの形態で実現することもできる。

すなわち、本発明の他の局面に係る電極パネルは、誘電体と、誘電体バリア放電によるプラズマを発生させるための電極とを備える電極パネルであって、電極として、前記プラズマ発生用電極を用いたものである。

また、本発明のさらに他の局面に係るプラズマリアクタは、複数の電極パネルが間隔を空けて並列に設けられ、電極パネル間に誘電体バリア放電によるプラズマを発生させるプラズマリアクタであって、電極パネルとして、前記電極パネルを用いたものである。

本発明によれば、誘電体の表面にＰＭが堆積することを抑制でき、ＰＭ除去性能の低下を抑制することができる。更に、密度の高いプラズマを発生することが可能となる。

本発明の一実施形態に係るプラズマ発生用電極、電極パネルおよびプラズマリアクタが用いられたＰＭ除去装置の構成を図解的に示す断面図である。 プラズマ発生用電極の構成を図解的に示す平面図である。 プラズマ発生用電極の他の構成を図解的に示す平面図である。 プラズマ発生用電極のさらに他の構成を図解的に示す平面図である。 ＰＭが誘電体の表面に堆積した様子を示す写真である。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

＜ＰＭ除去装置＞

図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマ発生用電極２３、電極パネル２１およびプラズマリアクタ４が用いられたＰＭ除去装置１の構成を図解的に示す断面図である。

ＰＭ除去装置１は、たとえば、自動車のエンジン（図示せず）から排出される排ガスに含まれるＰＭを除去するための装置であり、エキゾーストパイプなどの排気管２の途中部に介装される。ＰＭ除去装置１は、流通管３、プラズマリアクタ４およびパルス発生電源５を備えている。

流通管３は、一端部および他端部にそれぞれ排ガス流入口１１および排ガス流出口１２を有する管状（筒状）をなしている。排ガス流入口１１は、排気管２におけるエンジン側の部分２Ａに接続され、排ガス流出口１２は、排気管２におけるエンジン側と反対側の部分２Ｂに接続されている。エンジンから排出される排ガスは、排気管２におけるエンジン側の部分２Ａを流れ、排ガス流入口１１から流通管３に流入して、流通管３を流通し、排ガス流出口１２から排気管２におけるエンジン側と反対側の部分２Ｂに流出する。

プラズマリアクタ（プラズマ反応器）４は、流通管３内に配置されている。プラズマリアクタ４は、複数の電極パネル２１を備えている。

電極パネル２１は、四角板状をなし、誘電体２２にプラズマ発生用電極（以下、単に「電極」という。）２３を内蔵した構成、言い換えれば、電極２３をその両面から誘電体２２で挟み込んだ構成を有している。かかる構成の電極パネル２１は、たとえば、誘電体２２の材料からなる１対の四角板状の分割部分の一方上に導電性ペーストをパターン印刷し、その導電性ペーストを１対の分割部分で挟み込むように、一方の分割部分と他方の分割部分とを貼り合わせて、それらを焼成することにより作製される。誘電体２２の材料としては、たとえば、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）を用いることができる。導電性ペーストとしては、たとえば、タングステンペーストを用いることができる。複数の電極パネル２１は、それぞれ流通管３における排ガスの流通方向（排ガス流入口１１から排ガス流出口１２に向かう方向）に延在し、流通方向と直交する方向に等間隔を空けて並列に配置（互いに対向して配置）されている。

電極２３には、電極パネル２１の積層方向の一端側から順に、プラス配線２４およびマイナス配線２５が交互に接続されている。プラス配線２４およびマイナス配線２５は、それぞれパルス発生電源５のプラス端子およびマイナス端子と電気的に接続されている。

＜電極＞

図２は、電極２３の構成を図解的に示す平面図である。

電極２３は、縦方向および横方向にそれぞれ延びる線状部３１，３２を有する格子状をなしている。言い換えれば、電極２３は、縦方向に延びる複数の線状部３１（以下、「縦線状部３１」という。）および横方向に延びる複数の線状部３２（以下、「横線状部３２」という。）を備え、２本の縦線状部３１および２本の横線状部３２に取り囲まれる四角形状の網目３３を多数有している。電極２３は、横線状部３２が排ガスの流通方向に沿うように設けられている。

電極２３は、網目３３の大小により、第１部分３４、第２部分３５、第３部分３６および第４部分３７に分けられる。

第１部分３４は、排ガスの流通方向の最上流側に設けられている。第１部分３４では、たとえば、縦線状部３１間の間隔と横線状部３２間の間隔とが同じに設定され、略正方形状の網目３３が縦方向および横方向に整列して形成されている。

なお、縦線状部３１間の間隔と横線状部３２間の間隔とが同じである必要はなく、それらが互いに異なっていてもよい。

第２部分３５は、第１部分３４に対して排ガスの流通方向の下流側に設けられている。第２部分３５では、たとえば、縦線状部３１間の間隔が横線状部３２間の間隔の２倍に設定され、横線状部３２間の間隔が第１部分３４における横線状部３２間の間隔と同じに設定されている。第２部分３５では、横方向（排ガスの流通方向）に長い略長方形状の網目３３が縦方向および横方向に整列して形成されている。

第３部分３６は、第２部分３５に対して排ガスの流通方向の下流側に設けられている。第３部分３６では、たとえば、縦線状部３１間の間隔が横線状部３２間の間隔の４倍に設定され、横線状部３２間の間隔が第１部分３４および第２部分３５における横線状部３２間の間隔と同じに設定されている。第３部分３６では、第２部分３５の網目３３よりも横方向に長い略長方形状の網目３３が縦方向および横方向に整列して形成されている。

第４部分３７は、第３部分３６に対して排ガスの流通方向の下流側であって、最下流側に設けられている。第４部分３７では、たとえば、縦線状部３１間の間隔が横線状部３２間の間隔の８倍に設定され、横線状部３２間の間隔が第１部分３４、第２部分３５および第３部分３６における横線状部３２間の間隔と同じに設定されている。第４部分３７では、第３部分３６の網目３３よりも横方向に長い略長方形状の網目３３が縦方向および横方向に整列して形成されている。

これにより、電極２３の網目３３は、排ガスの流通方向の最上流側の第１部分３４で最も小さく（細かく）、排ガスの流通方向の下流側ほど段階的に大きく（粗く）なっている。言い換えれば、電極２３の縦線状部３１および横線状部３２による格子の密度は、排ガスの流通方向の最上流側の第１部分３４で最も高く、排ガスの流通方向の下流側ほど段階的に低くなっている。

複数の電極２３は、各網目３３の位置が一致するように（各網目３３が上下に重なり合うように）配置されている。

＜作用効果＞

パルス発生電源５から互いに対向する電極２３間にパルス電圧（たとえば、ピーク電圧：８ｋＶ、パルス繰り返し周波数：１００Ｈｚ）が印加されると、網目３３を取り囲む縦線状部３１および横線状部３２のエッジ（端縁）、とくに縦線状部３１と横線状部３２との交点（網目３３の角）が起点となって放電が生じ、電極パネル２１間に誘電体バリア放電によるプラズマが発生する。そして、プラズマの発生により、電極パネル２１間を流通する排ガスに含まれるＰＭが酸化（燃焼）されて除去される。

第１部分３４の網目３３が最も小さいので、電極パネル２１間における排ガスの流通方向の最上流部分（第１部分３４と対向する部分）では、最も強い放電が生じ、最も高いプラズマ密度のプラズマが発生する。そのため、電極パネル２１間における排ガスの流通方向の最上流部分では、ＰＭを効率よく除去することができ、電極パネル２１の表面にＰＭが堆積することを抑制できる。そして、電極パネル２１間における排ガスの流通方向の最上流部分よりも下流側の部分（第２部分３５、第３部分３６および第４部分３７と対向する部分）では、最上流部分で除去されずに流下したＰＭが電極パネル２１（誘電体２２）の表面に付着しても、そのＰＭを下流側部分で発生したプラズマまたは上流側から流下した活性種（ラジカル、オゾンなど）により除去することができ、電極パネル２１の表面にＰＭが堆積することを抑制できる。

よって、電極パネル２１の表面の全域において、ＰＭが堆積することを抑制できる。その結果、ＰＭ除去装置１のＰＭ除去性能を良好に維持することができる。

なお、電極２３の横線状部３２間の間隔は、電極パネル２１間における横線状部３２間の中央と対向する部分にもプラズマが発生するような間隔であればよく、たとえば、０．１〜１．０ｍｍの範囲内に設定される。これにより、電極２３の第４部分３７における縦線状部３１間の間隔が大きくても、電極パネル２１間における第４部分３７と対向する全領域でプラズマを発生させることができる。

また、電極パネル２１間の間隔は、誘電体バリア放電が生じる間隔であればよく、たとえば、０．２〜５．０ｍｍの範囲内で設定される。

＜変形例＞

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。

たとえば、図２に示される構成において、第２部分３５では、縦線状部３１間の間隔が横線状部３２間の間隔の２倍に設定されているとしたが、これは単なる一例であり、縦線状部３１間の間隔が第１部分３４における縦線状部３１間の間隔よりも大きければよい。第３部分３６では、縦線状部３１間の間隔は、第２部分３５における縦線状部３１間の間隔よりも大きければよく、横線状部３２間の間隔の４倍に限らない。第４部分３７では、縦線状部３１間の間隔は、第３部分３６における縦線状部３１間の間隔よりも大きければよく、横線状部３２間の間隔の８倍に限らない。

電極２３は、図３に示される構成であってもよい。すなわち、図３に示される電極２３では、第２部分３５において、縦線状部３１間の間隔が第１部分３４における縦線状部３１間の間隔と同じに設定され、横線状部３２間の間隔が縦線状部３１間の間隔の２倍に設定されている。また、第３部分３６において、縦線状部３１間の間隔が第１部分３４および第２部分３５における縦線状部３１間の間隔と同じに設定され、横線状部３２間の間隔が縦線状部３１間の間隔の４倍に設定されている。第４部分３７では、縦線状部３１間の間隔が第１部分３４、第２部分３５および第３部分３６における縦線状部３１間の間隔と同じに設定され、横線状部３２間の間隔が縦線状部３１間の間隔の８倍に設定されている。

図３に示される構成であっても、図２に示される構成と同様の作用効果を奏することができる。

図３に示される構成において、第２部分３５では、横線状部３２間の間隔が縦線状部３１間の間隔の２倍に設定されているとしたが、単なる一例であり、横線状部３２間の間隔が第１部分３４における横線状部３２間の間隔よりも大きければよい。第３部分３６では、横線状部３２間の間隔が第２部分３５における横線状部３２間の間隔よりも大きければよい。第４部分３７では、横線状部３２間の間隔が第３部分３６における横線状部３２間の間隔よりも大きければよい。

また、電極２３は、図４に示される構成であってもよい。すなわち、図４に示される電極２３では、第２部分３５において、縦線状部３１間の間隔が第１部分３４における縦線状部３１間の間隔の２倍に設定され、横線状部３２間の間隔が縦線状部３１間の間隔と同じに設定されている。また、第３部分３６において、縦線状部３１間の間隔が第２部分３５における縦線状部３１間の間隔の２倍に設定され、横線状部３２間の間隔が縦線状部３１間の間隔と同じに設定されている。第４部分３７では、縦線状部３１間の間隔が第３部分３６における縦線状部３１間の間隔の２倍に設定され、横線状部３２間の間隔が縦線状部３１間の間隔と同じに設定されている。

図４に示される構成であっても、図２に示される構成と同様の作用効果を奏することができる。

図４に示される構成において、第２部分３５では、縦線状部３１間の間隔および横線状部３２間の間隔がそれぞれ第１部分３４における縦線状部３１間の間隔および横線状部３２間の間隔よりも大きければよい。第３部分３６では、縦線状部３１間の間隔および横線状部３２間の間隔がそれぞれ第２部分３５における縦線状部３１間の間隔および横線状部３２間の間隔よりも大きければよい。第４部分３７では、縦線状部３１間の間隔および横線状部３２間の間隔がそれぞれ第３部分３６における縦線状部３１間の間隔および横線状部３２間の間隔よりも大きければよい。

電極２３は、第１部分３４、第２部分３５、第３部分３６および第４部分３７を有する構成に限らず、排ガスの流通方向の上流側および下流側に、それぞれ相対的に小さい網目３３が形成された部分および相対的に大きい網目３３が形成された部分を有していれば、網目３３の大小により２つまたは３つの部分に分かれていてもよいし、５つ以上の部分に分かれていてもよい。

また、電極２３に四角形状の網目３３が形成された構成を取り上げたが、三角形、六角形、星形等の多角形または角を有する任意の形状の孔が電極２３を厚さ方向に貫通して形成されていてもよい。

その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

４ プラズマリアクタ
２１ 電極パネル
２２ 誘電体
２３ 電極（プラズマ発生用電極）
３３ 網目（孔）
３４ 第１部分（上流側部分）
３５ 第２部分（下流側部分）
３６ 第３部分（下流側部分）
３７ 第４部分（下流側部分）

Claims (5)

1. 排ガスの流通方向に延在する誘電体を備えるプラズマリアクタに用いられ、プラズマを発生させるためのプラズマ発生用電極であって、
   前記流通方向の上流側部分には、厚さ方向に貫通する孔が相対的に高い密度で形成され、下流側部分には、厚さ方向に貫通する孔が相対的に低い密度で形成され、
   前記孔は、平面視で、多角形状である、プラズマ発生用電極。
2. 請求項１に記載のプラズマ発生用電極であって、
   縦方向に延びる複数の縦線状部および横方向に延びる複数の横線状部を有する格子状をなしている、プラズマ発生用電極。
3. 請求項２に記載のプラズマ発生用電極であって、
   前記下流側部分では、
   前記縦線状部間の間隔が前記横線状部間の間隔よりも広く設定されているか、
   または、
   前記横線状部間の間隔が前記縦線状部間の間隔よりも広く設定されている、プラズマ発生用電極。
4. 誘電体と、
   誘電体バリア放電によるプラズマを発生させるための電極とを備え、
   前記電極として、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のプラズマ発生用電極が用いられている、電極パネル。
5. 複数の電極パネルが間隔を空けて並列に設けられ、前記電極パネル間に誘電体バリア放電によるプラズマを発生させるプラズマリアクタであって、
   前記電極パネルとして、請求項４に記載の電極パネルが用いられている、プラズマリアクタ。