JP3572942B2 - 放電ガス処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えばオゾン発生装置、ＮＯｘ ・ＳＯｘ 処理装置、ダイオキシン処理装置、脱臭装置等として用いられるものであって、処理すべきガスをパルスストリーマ放電（パルス的に発生させるストリーマ放電）によって励起して処理する（例えばオゾン発生、ＮＯｘ ・ＳＯｘ 低減、ダイオキシン低減、脱臭等を行う）放電ガス処理装置に関し、より具体的には、ガス処理器内におけるパルスストリーマ放電の放電と放電との間の残留電荷の消滅を促進して、ガス処理効率を向上させる手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の放電ガス処理装置の従来例を図６に示す。この放電ガス処理装置は、筒状（例えば円筒状）の外部電極４のほぼ中心軸上に線状（ワイヤ状）の中心電極６を配置して成るガス処理器２と、このガス処理器２の外部電極４と中心電極６との間に高圧のパルス電圧Ｖ_Ｐ を繰り返して印加するパルス電源１４とを備えている。通常は、この例のように外部電極４は接地されていて、中心電極６に正極性のパルス電圧Ｖ_Ｐ が印加される。
【０００３】
外部電極４の内径は例えば１０〜１００ｍｍ程度、中心電極６の外径は例えば０．２〜３ｍｍ程度である。パルス電圧Ｖ_Ｐ の大きさは例えば１０〜２００ｋＶ程度、パルス電圧Ｖ_Ｐ の立ち上がり時間は例えば２０〜５００ｎｓ程度である。但しこれらは、あくまでも一例であり、ガス処理器２の構造や処理すべきガス１０の流量等の処理条件によってこれとは異なる場合もある。
【０００４】
ガス処理器２の一端側から、その両電極４、６間に、例えばガス源８から処理すべきガス１０を供給し、このガス１０を電極４、６の長手方向に流した状態で、両電極４、６間にパルス電源１４から上記パルス電圧Ｖ_Ｐ を繰り返して印加して、中心電極６から外部電極４に向けて、四方八方に、かつ電極４、６の長手方向に均一に、パルスストリーマ放電１６を繰り返して発生させる。このパルスストリーマ放電１６によって、ガス１０を励起して、ガス１０に所望の処理、例えば前述したようなオゾン発生、ＮＯｘ ・ＳＯｘ 低減、ダイオキシン低減、脱臭等の処理を施すことができる。ガス処理器２の他端側から処理済のガス１２が取り出される。
【０００５】
このパルスストリーマ放電を利用する技術は、従来の無声放電や沿面放電を利用する技術よりも、放電によって消費される電力に対するガス処理効率が２倍近く高いことが知られており、高効率のガス処理技術として注目されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の放電ガス処理装置には次のような課題がある。
【０００７】
即ち、ガス処理器２内におけるパルスストリーマ放電時には、例えばこの例のように中心電極６が正電位の場合（即ち前記パルス電圧Ｖ_Ｐ が正極性の場合）、図７に示すように、中心電極６から外部電極４に向かって正のストリーマ（先端部が正電荷であり、後続部分が負電荷のストリーマ）１７が進展する。従って、放電終了後は、図８に示すように、中心電極６の近傍にドーナツ状に負の残留電荷２０が生じ、かつこの負の残留電荷２０を取り巻くように正の残留電荷１８が生じ、この残留電荷１８、２０によって、パルス電圧Ｖ_Ｐ による電界Ｅ_１ （図７参照）とは逆方向の電界Ｅ_２ を発生する。
【０００８】
このような残留電荷１８、２０が次回の放電時まで残留していると、次回の放電のためのパルス電圧Ｖ_Ｐ による電界Ｅ_１ が弱められるため、パルスストリーマ放電が発生しにくくなる。従って、電極４、６間への効率の良いエネルギー投入が困難になり、ガス１０の処理効率が低下する。
【０００９】
しかも、ガス処理器２内に流すガス１０の流量が小さい低ガス流量、かつガス処理器２内でパルスストリーマ放電１６を短い周期で発生させる高繰り返し放電の運転条件の場合は、残留電荷１８、２０による上記影響は特に大きくなる。
【００１０】
例えば、この放電ガス処理装置をオゾン発生装置として使用する場合は、ガス処理器２内において例えば１０^５ ｐｐｍ程度もの高濃度のオゾンを発生させる必要があり、そのためには、低ガス流量（例えばガス処理器２内でのガス滞留時間が数秒〜数十秒程度）、かつ高繰り返し放電（例えば１ｋＨｚ程度以上）の運転条件となる。
【００１１】
ところが、上記残留電荷１８、２０の拡散時間は、数ｍｓ〜数十ｍｓ程度と考えられ、繰り返し放電の周期が１００Ｈｚ程度以上の場合は、この残留電荷１８、２０による上記影響を受ける。しかも、パルスストリーマ放電の繰り返し数の増加と共に、残留電荷１８、２０の蓄積作用が生じるため、残留電荷１８、２０による上記影響は更に強まる。また、上記のような低ガス流量運転では、ガス流による残留電荷１８、２０の拡散もあまり期待できない。従って、残留電荷１８、２０による上記影響は特に大きくなる。
【００１２】
勿論、上記例とは反対に、中心電極６に負極性のパルス電圧Ｖ_Ｐ を印加する場合にも、残留電荷による上記と同様の課題が存在する。
【００１３】
上記残留電荷の影響を小さくするためには、例えば、▲１▼ガス流量を増加する、▲２▼放電繰り返し数を減らす、▲３▼ガス処理器２の長さを短くして（但しその分、ガス処理器２の数を増加する必要がある）ガス滞留時間を短くする、ことが考えられるけれども、いずれの場合も、通過するガスに加える放電回数が減少し、ガス処理効果（例えばオゾン発生装置の場合であれば発生オゾン濃度）が低下する。
【００１４】
そこでこの発明は、ガス処理器内におけるパルスストリーマ放電の放電と放電との間の残留電荷の消滅を促進して、ガス処理効率を向上させることを主たる目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この発明の放電ガス処理装置は、少なくとも前記パルスストリーマ放電の放電と放電との間に、前記パルス電源から出力するパルス電圧よりも絶対値の小さい補助電圧を前記ガス処理器の外部電極と中心電極との間に印加する補助電源を備えることを特徴としている。
【００１６】
上記構成によれば、パルスストリーマ放電のためのパルス電圧と同極性の補助電圧を印加した場合は、パルスストリーマ放電終了直後の正負の残留電荷は、補助電圧の電界による吸引作用を受けて、中心電極または外部電極にそれぞれ吸収されて消滅する。
【００１７】
上記とは反対に、パルス電圧と逆極性の補助電圧を印加した場合は、正負の残留電荷は、補助電圧の電界による反発作用を受けて、正負の残留電荷同士が衝突して互いに中和して消滅する。
【００１８】
従っていずれの場合も、補助電圧印加によって、残留電荷の消滅を促進することができるので、低ガス流量かつ高繰り返し放電の運転条件においても、ガス処理器の電極間へ効率良くエネルギーを投入することが可能になり、ガス処理効率が向上する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係る放電ガス処理装置の一例を示す図である。図６の従来例と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下においては当該従来例との相違点を主に説明する。
【００２０】
この実施例においては、前述したパルス電源１４と、ガス処理器２の外部電極４との間に、補助電源２２を直列に挿入して、この補助電源２２から、この例ではパルス電源１４を介して、ガス処理器２の外部電極４と中心電極６との間に、パルス電源１４から出力するパルス電圧Ｖ_Ｐ よりも絶対値の小さい補助電圧Ｖ_Ａ を印加するようにしている。
【００２１】
この補助電源２２から電極４、６間に印加する補助電圧Ｖ_Ａ は、前述した残留電荷消滅促進のためには、少なくともガス処理器２内で繰り返されるパルスストリーマ放電１６の放電と放電との間に印加すれば良く、そのための補助電源２２の接続の仕方はこの実施例のものに限らない。また、当該補助電圧Ｖ_Ａ は、パルス電圧Ｖ_Ｐ 印加中に印加する必要はないけれども、パルス電圧Ｖ_Ｐ 印加中を含めて、ガス処理器２の運転中は常時印加しても良い。常時印加する場合は、補助電源２２は直流電源で良く、補助電圧Ｖ_Ａ は直流電圧で良い。これの方が補助電源２２の構成および接続等が簡単になるので、この実施例では、直流の補助電源２２を上記のように接続して、直流の補助電圧Ｖ_Ａ を、パルス電源１４を介して電極４、６間に常時印加するようにしている。
【００２２】
補助電源２２からガス処理器２の電極４、６間に印加する補助電圧Ｖ_Ａ は、パルス電源１４から電極４、６間に印加するパルス電圧Ｖ_Ｐ と同極性でも良いし、逆極性でも良い。
【００２３】
まず、同極性の場合について説明すると、ガス処理器２内でのパルスストリーマ放電直後の残留電荷の分布は、上記説明のとおり、おおよそ図２に示すようになっている。これは、上記と同様、中心電極６に正極性のパルス電圧Ｖ_Ｐ を印加した場合の例である。ここに、パルス電圧Ｖ_Ｐ と同極性の補助電圧Ｖ_Ａ が、即ち中心電極６側を正極性とする補助電圧Ｖ_Ａ が印加されると、正負の残留電荷１８、２０は、この補助電圧Ｖ_Ａ の電界Ｅ_３ による吸引作用を受けて、図２中に矢印で示すように、正の残留電荷１８は外部電極４に、負の残留電荷２０は中心電極６に、それぞれ吸引（誘導）されて、それぞれ吸収される。従って、補助電圧Ｖ_Ａ の印加によって、正負の残留電荷１８、２０の消滅を促進することができる。
【００２４】
上記とは反対に、補助電圧Ｖ_Ａ がパルス電圧Ｖ_Ｐ と逆極性の場合は、図３に示すように、正負の残留電荷１８、２０は、この補助電圧Ｖ_Ａ の電界Ｅ_３ による反発作用を受けて、即ち図３中に矢印で示すように、正の残留電荷１８は外部電極４から反発作用を受け、負の残留電荷２０は中心電極６から反発作用を受け、正負の残留電荷１８、２０同士が衝突して互いに中和して消滅する。従ってこの場合も、補助電圧Ｖ_Ａ の印加によって、正負の残留電荷１８、２０の消滅を促進することができる。
【００２５】
但し、補助電圧Ｖ_Ａ がパルス電圧Ｖ_Ｐ と同極性の場合（即ち図２の場合）、仮に残留電荷１８、２０が増加し過ぎていて正負の残留電荷１８、２０による空間電界Ｅ_２ （図８参照）が、補助電圧Ｖ_Ａ による電界Ｅ_３ と同等以上になった場合は、この補助電圧Ｖ_Ａ の電界Ｅ_３ による上記残留電荷１８、２０の消滅促進作用は成されないばかりか、当該電界Ｅ_３ が、正負の残留電荷１８、２０同士の衝突のための空間電界Ｅ_２ を弱めてしまうことになり、補助電圧Ｖ_Ａ の印加がかえって逆効果となる場合がある。
【００２６】
このような場合は、図３の例のように、パルス電圧Ｖ_Ｐ とは逆極性の補助電圧Ｖ_Ａ を印加する方が好結果が得られる。そのようにすると、この補助電圧Ｖ_Ａ による電界Ｅ_３ が、正負の残留電荷１８、２０による空間電界Ｅ_２ （図８参照）を強める方向に働くので、正負の残留電荷１８、２０同士が引き合って衝突して消滅するという電荷消失課程を強めることができるからである。
【００２７】
例えばオゾン発生装置の場合のように、低ガス流速（例えば１〜５ｃｍ／ｓ程度）、かつ高繰り返し放電（例えば１ｋＨｚ程度以上）の運転条件の場合は、前述したように、残留電荷１８、２０が特に大量に発生しやすいので、このような運転条件の場合には、上記理由から、パルス電圧Ｖ_Ｐ とは逆極性の補助電圧Ｖ_Ａ を印加する方が、残留電荷１８、２０の消滅をより確実に促進することができるので好ましい。
【００２８】
正逆いずれの極性の場合も、補助電圧Ｖ_Ａ の大きさは、パルス電圧Ｖ_Ｐ の５〜２０％程度で、より具体的には１０％程度で、十分に効果が得られる。これよりも大きい補助電圧Ｖ_Ａ は、補助電源２２の絶縁設計上好ましくない。また、逆極性の補助電圧Ｖ_Ａ を常時印加する場合は、その分、ガス処理器２に印加するパルス電圧の波高値も低下する（即ち｜Ｖ_Ｐ ｜−｜Ｖ_Ａ ｜になる）ので、この理由からも好ましくない。
【００２９】
次に、上記パルス電源１４および補助電源２２の回路の具体例を図４に示す。
【００３０】
パルス電源１４は、この例では磁気パルス圧縮回路方式のものであり、高圧充電電源２６を初期コンデンサ３０および時定数調整インダクタ３２を介して昇圧パルストランス３４の一次巻線に接続し、高圧充電電源２６に並列に放電開始スイッチ２８を接続している。放電開始スイッチ２８は、例えばサイラトロン等の放電スイッチ、またはサイリスタ等の半導体スイッチである。昇圧パルストランス３４の二次巻線とガス処理器２の両電極４、６との間には、アース側に補助電源２２を直列に介在させて、中間コンデンサ３６、最終段コンデンサ３８および二つの磁気スイッチ４０、４２が梯子形（ラダー形）に接続されている。補助電源２２にはコンデンサ２４を並列接続している。
【００３１】
まず、パルス電源１４だけの動作を説明すると、初期コンデンサ３０に予め高圧充電電源２６から時定数調整インダクタ３２および昇圧パルストランス３４を通して初期電荷が充電される。その後、放電開始スイッチ２８をオンすると、初期コンデンサ３０の電荷は、昇圧パルストランス３４を通じて昇圧され、中間コンデンサ３６に充電される。この状態では、磁気スイッチ４０は未飽和、つまりオフ状態にある。初期コンデンサ３０から中間コンデンサ３６への電荷移行が進み、中間コンデンサ３６の電圧が最大になる時刻付近で、磁気スイッチ４０は飽和してオンになり、中間コンデンサ３６の電荷は最終段コンデンサ３８へと移行する。同様に、最終段コンデンサ３８の電圧が最大になる時刻付近で、磁気スイッチ４２が飽和してオンになり、最終段コンデンサ３８からこの例では正極性のパルス電圧Ｖ_Ｐ が出力され、それがガス処理器２の中心電極６に印加される。初期コンデンサ３０から中間コンデンサ３６へ、中間コンデンサ３６から最終段コンデンサ３８へ、最終段コンデンサ３８からガス処理器２への電荷移行の進行と共に、電荷移行のパルス幅が圧縮され、初段では例えば１〜２μｓ程度のパルス幅が、最終的には例えば２０〜１００ｎｓ程度にまで圧縮される。このように圧縮されたパルス電圧Ｖ_Ｐ がガス処理器２に印加される。このパルス電圧Ｖ_Ｐ の波高値は、例えば１０〜２００ｋＶ程度の範囲内である。
【００３２】
一方、補助電源２２はこの例では通常の直流電源であり、これからコンデンサ２４に、パルス電圧Ｖ_Ｐ とは逆極性の直流の補助電圧Ｖ_Ａ が常に印加される。同時に、この補助電圧Ｖ_Ａ は、直流電圧であるので、昇圧パルストランス３４、磁気スイッチ４０および４２を通して、中間コンデンサ３６、最終段コンデンサ３８およびガス処理器２の両電極４、６間に印加される。従ってこの補助電圧Ｖ_Ａ によって、前述したガス処理器２内における残留電荷消滅促進作用を奏する。
【００３３】
即ち、この例では、ガス処理器２の電極４、６間に、パルス電圧Ｖ_Ｐ とは逆極性の補助電圧Ｖ_Ａ が常時印加されている。従って、放電開始スイッチ２８をオンしてガス処理器２にパルス電圧Ｖ_Ｐ を印加するときに電極４、６間に印加されるパルス電圧の大きさ（波高値）は｜Ｖ_Ｐ ｜−｜Ｖ_Ａ ｜となる。補助電源２２を図示例とは逆向きに接続して、ガス処理器２の電極４、６間にパルス電圧Ｖ_Ｐ と同極性の補助電圧Ｖ_Ａ を印加するようにしても良く、その場合に電極４、６間に印加されるパルス電圧の大きさは｜Ｖ_Ｐ ｜＋｜Ｖ_Ａ ｜となる。
【００３４】
補助電源２２に並列接続したコンデンサ２４は、放電開始スイッチ２８をオンして初期コンデンサ３０の電荷を昇圧パルストランス３４を通じて中間コンデンサ３６へ移行させるときの過渡電流に対するインピーダンスを下げて、補助電源２２に印加されるパルス電圧を下げるためのものである。中間コンデンサ３６の容量に比べてこのコンデンサ２４の容量が大きいほど、中間コンデンサ３６での分担電圧に比べてコンデンサ２４での分担電圧が下がり、それによって、補助電源２２に高電圧が印加されるのを防止すると共に、中間コンデンサ３６に効率良く電荷移行させることができる。従って、コンデンサ２４の容量は、中間コンデンサ３６の容量よりも十分に大きくする、例えば１００倍以上にするのが好ましい。但し、補助電源２２内にコンデンサ２４と同程度以上の容量のコンデンサを有している場合は、それがコンデンサ２４と同様の作用をするので、敢えてコンデンサ２４を外付けする必要はない。
【００３５】
なお、処理ガス量を増加させる等のために、上記のようなガス処理器２を複数個並列に設けても良い。そのようにした例を図５に示す。この例は、容器４４内にガス処理器２を複数個並設し、それぞれに処理すべきガス１０を流す構造をしている。容器４４は接地されており、各ガス処理器２の外部電極４は支持板４６によってこの容器４４に電気的に接続されている。各ガス処理器２の中心電極６は、この例のように互いに並列接続してパルス電源１４に接続しても良いし、直列接続してパルス電源１４に接続しても良い。
【００３６】
また、上記ガス処理器２の外部電極４は、円筒状以外の筒状、例えば四角筒状等でも良い。筒状は管状と言い換えることもできる。
【００３７】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、補助電源からガス処理器の外部電極と中心電極との間に印加する補助電圧によって、ガス処理器内におけるパルスストリーマ放電の放電と放電との間の残留電荷の消滅を促進することができるので、ガス処理器へ効率良くエネルギーを投入することが可能になり、ガス処理効率が向上する。
【００３８】
上記補助電圧を、パルスストリーマ放電のためのパルス電圧と逆極性にすると、低ガス流量かつ高繰り返し放電のように、残留電荷が大量に発生しやすい運転条件の場合にも、残留電荷の消滅をより確実に促進して、ガス処理効率をより確実に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る放電ガス処理装置の一例を示す図である。
【図２】パルスストリーマ放電の放電と放電との間に、ガス処理器にパルス電圧と同極性の補助電圧を印加したときのガス処理器内の残留電荷の様子を模式的に示す図である。
【図３】パルスストリーマ放電の放電と放電との間に、ガス処理器にパルス電圧と逆極性の補助電圧を印加したときのガス処理器内の残留電荷の様子を模式的に示す図である。
【図４】パルス電源および補助電源の回路の具体例を示す図である。
【図５】この発明に係る放電ガス処理装置の他の例を示す図である。
【図６】従来の放電ガス処理装置の一例を示す図である。
【図７】ガス処理器内におけるパルスストリーマ放電の放電中の様子を模式的に示す図である。
【図８】ガス処理器内におけるパルスストリーマ放電の放電直後の残留電荷の様子を模式的に示す図である。
【符号の説明】
２ ガス処理器
４ 外部電極
６ 中心電極
１０ 処理すべきガス
１４ パルス電源
２２ 補助電源
Ｖ_Ｐ パルス電圧
Ｖ_Ａ 補助電圧

Claims (2)

1. 筒状の外部電極のほぼ中心軸上に線状の中心電極を有していて両電極間に処理すべきガスが供給されるガス処理器と、このガス処理器の外部電極と中心電極との間に正または負のいずれか一方の極性のパルス電圧を繰り返して印加して両電極間にパルスストリーマ放電を繰り返して発生させるパルス電源とを備える放電ガス処理装置において、少なくとも前記パルスストリーマ放電の放電と放電との間に、前記パルス電源から出力するパルス電圧よりも絶対値の小さい補助電圧を前記ガス処理器の外部電極と中心電極との間に印加する補助電源を備えることを特徴とする放電ガス処理装置。
2. 前記補助電圧が、前記パルス電圧と逆極性である請求項１記載の放電ガス処理装置。

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