JP4339049B2 - 排ガス処理方法及び排ガス処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、コロナ放電を利用して排ガス中の浮遊微粒子物質を濃縮する排ガス処理方法及び排ガス処理装置に関する。
ディーゼルエンジンの排ガス中に含まれる浮遊微粒子物質（粒子状物質：パティキュレート・マター、以下ＰＭという）の除去に、ディーゼルパティキュレートフィルタ（Diesel Particulate Filter ：以下ＤＰＦという）と呼ばれるフィルタで捕集して、外部へ排出されるＰＭの量を低減する技術が開発されている。
一方、この大気汚染の原因となるＰＭにおいて、近年特に、ＰＭ２．５と呼ばれる粒子径２．５μｍ以下（特に直径数十ｎｍ）の超微粒子が公害対策上問題となってきている。この超微粒子は、現在自動車用エンジンとして多く採用されてきている直噴ガソリンエンジンにおいても排出されていると考えられ、この超微粒子を除去する技術の確立が強く求められている。
しかしながら、この超微粒子の捕集をＤＰＦを用いた方法だけで行うとすると、フィルタの目を非常に細かくする必要が生じるため、大きな圧力損失無しに、この超微粒子を捕集することは非常に難かしいという問題がある。
そのため、これらの数十ｎｍサイズの超微粒子を、大きな圧力損失が生じることなく、捕集する方法として電気集塵技術を利用することが考えられる。この電気集塵技術を利用する方法として、集塵電極となる金属円筒管中に張った金属細線で形成される高圧放電線に高電圧を印加して、工場排煙等の白煙やミスト状物質等の浮遊微粒子を静電吸着して除去する方法や装置が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。
これらの電気集塵方法や電気集塵装置では、荷電部において排ガス等の気体中にコロナ放電を発生させて浮遊している微粒子物質を帯電し、集塵部において帯電した微粒子物質を静電気力（クーロン力）を利用して、低電圧（一般には接地電位）の面状電極である集塵電極に捕捉し、気体中から除去している。
また、内燃機関のＰＭを捕集する装置として、電気集塵装置を排気ガス通路内に設けると共に、集塵電極に電熱器を配設して、電熱器表面に付着捕集されたＰＭの捕集量を火花放電の発生頻度で検知し、この発生頻度に基づいて電熱器を所定時間作動して捕集されたＰＭを燃焼除去する装置が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
しかしながら、この電気集塵装置では、帯電した微粒子を静電気力を利用し、低電圧電位（一般には接地電位）にある容器壁面を集塵電極として該帯電粒子を捕捉するが、単純に容器壁面を集塵電極として利用して帯電粒子を捕集するような構成では、気体（排ガス）の量に対する集塵面積が比較的小さくなるため、捕集できる微粒子物質の量が小さくなり、また、集塵電極上への微粒子の堆積により比較的短時間（例えば、数分間）で浄化性能が低下してしまうという問題がある。
また、ディーゼルエンジン等の内燃機関の排ガス中のＰＭを捕集しようとする場合には、このＰＭは比較的抵抗率が低いため、再飛散現象が起き易いという問題がある。この再飛散したＰＭを捕捉するために、帯電部の下流側にフィルタを配置して、集塵面積の増大と再飛散粒子の捕捉を図ることが考えられるが、フィルタの捕集性能を良好に保ち、かつ、圧力損失の増大を防ごうとすると、フィルタに流入する排ガスの流速をある程度低く（例えば３ｍ／ｓ以下）する必要が生じ、フィルタの開口面積を大きくせざるを得ないため、装置をコンパクト化できないという問題が生じる。
登録実用新案第３０１９５２６号公報 特開平０６−１４２５５１号公報 特開昭５９−８５４１５号公報
本発明の目的は、ディーゼルエンジンの排ガス等の浮遊微粒子物質を含む排ガスに対して、コロナ放電を利用して、浮遊微粒子物質の空間密度分布を制御し、相対的に微粒子物質濃度が高くなる領域と、相対的に微粒子物質の濃度が低くなる領域を形成せしめ、排ガス流を前者と後者に分ける排ガス処理方法及び排ガス処理装置を提供することにある。
上記目的を達成するための本発明の排ガス処理方法は、高電圧電極と、該高電圧電極に対向して配置され、かつ、筒体で形成された低電圧電極とを備え、該低電圧電極の少なくとも上流側部分の帯電部において、前記筒体の低電圧電極の中心付近に沿って長手方向に前記高電圧電極を配置した排ガス処理装置の排気ガス処理方法であって、対向電極間に排ガスを流通させ、放電部で該対向電極間に高電圧を印加して排ガス中にコロナ放電を発生させ、前記帯電部で該コロナ放電によって前記排ガス中の浮遊微粒子物質を帯電・凝集して、前記放電部の下流側の濃縮部で、前記低電圧電極近傍に偏在させ、前記濃縮部の下流の分流部において、前記低電圧電極の内側に設けた排ガス分流用の内筒の内側に前記低濃度排ガスが流れ、該内筒の外側に前記高濃度排ガスが流れるようにして、両電極間に流通させた排ガスを、前記低電圧電極近傍を流れる排ガスと前記低電圧電極の中心部を流れる排ガスとに分流させることを特徴とする方法である。
あるいは、上記目的を達成するための本発明の排ガス処理方法は、高電圧電極と該高電圧電極に対向して配置され、筒体で形成された低電圧電極とを備え、前記低電圧電極の少なくとも上流側部分の帯電部において、前記筒体の低電圧電極の中心付近に沿って長手方向に前記高電圧電極を配置し、かつ、前記帯電部の下流側の濃縮部において、前記低電圧電極を通気可能に形成し、更に、前記濃縮部の下流側の分流部を設け、前記濃縮部と前記分流部において、前記低電圧電極の外側に外筒を設けた排ガス処理装置の排気ガス処理方法であって、対向電極間に排ガスを流通させ、該対向電極間に高電圧を印加して排ガス中にコロナ放電を発生させ、該コロナ放電によって前記排ガス中の浮遊微粒子物質を帯電・凝集して、静電気力により低電圧電極に引き寄せることにより前記低電圧電極近傍に偏在させ、前記浮遊微粒子物質の濃度が相対的に高くなった高濃度排ガスを排ガス分流用の筒体である前記低電圧電極の外側に流し、前記浮遊微粒子物資の濃度が相対的に低くなった低濃度排ガスを前記低電圧電極の内側に流して分流することを特徴とする方法である。
ここでいう高電圧と低電圧の関係は、正負の電圧において、その絶対値の大きい方の電圧を高電圧とし、その絶対値の小さい方の電圧を低電圧とする。また、一方が正で他方が負の場合にも、それらの絶対値の大小で電圧の高低をいうものとする。
つまり、高電圧電極と低電圧電極とを備えた排ガス処理装置において、対向する高電圧電極と低電圧電極との間に排ガスを流し、前記対向電極間に高電圧を印加して、排ガス中にコロナ放電を発生させることにより、排ガス中の浮遊微粒子物質を帯電させ、対向電極間の静電気力によって排ガス中の浮遊微粒子物質の空間密度分布を制御し、相対的に微粒子物質濃度が高くなる低電圧電極近傍の高濃度排ガスと、相対的に微粒子物質濃度が低くなる高電圧電極近傍の低濃度排ガスとに排ガスを分流する。
そして、コロナ放電部によってコロナ放電処理を受けた排ガスの流れを、二重管構造等で分流するが、この分流に際し、コロナ放電処理で帯電した微粒子物質を静電気力により集塵電極に引き寄せることにより、微粒子物質を一方の排ガス流れに偏在させて分離濃縮させる。
この排ガス処理方法によれば、ディーゼルエンジンの排ガス中のＰＭのように、比較的電気抵抗が小さく、電気集塵では再飛散するような微粒子物質であっても、容易に濃縮できる。
また、この排ガス処理方法において、前記高濃度排ガスをフィルタで浄化すると、浮遊微粒子物質は凝集して肥大化しているので、目の粗いフィルタでも容易に捕集でき、また、圧力損失も少なくて済む。その上、高濃度排ガスの量が元の排ガス量よりも減少しているので、フィルタの容量を小さくでき、排ガス処理システムをコンパクトにすることができる。
そして、上記目的を達成するための本発明の排ガス処理装置は、高電圧電極と該高電圧電極に対向して配置された低電圧電極とを備え、対向電極間に排ガスを流通させ、該対向電極間に高電圧を印加して排ガス中にコロナ放電を形成し、浮遊微粒子物質を帯電させる帯電部と、該帯電部によって帯電された前記浮遊微粒子物質を前記低電圧電極近傍に偏在させる濃縮部と、前記対向電極間に流通させた排ガスを、前記浮遊微粒子物質の濃度が相対的に高くなった高濃度排ガスと、前記浮遊微粒子物資の濃度が相対的に低くなった低濃度排ガスとに分流する分流部とを有して構成し、更に、前記低電圧電極を筒体で形成し、該低電圧電極の少なくとも上流側部分の帯電部において、前記筒体の低電圧電極の中心付近に沿って長手方向に前記高電圧電極を配置すると共に、前記濃縮部の下流の分流部において、前記低電圧電極の内側に排ガス分流用の内筒を設け、該内筒はその内側に前記低濃度排ガスが流れ、該内筒の外側に前記高濃度排ガスが流れるように配置して、両電極間に流通させた排ガスを、前記低電圧電極近傍を流れる排ガスと前記低電圧電極の中心部を流れる排ガスとに分流させるように構成される。これにより、排ガス浄化装置の径も小さくシンプルな構成となる。
この帯電部の下流と濃縮部の上流の境界や濃縮部の下流と分流部の上流の境界は必ずしも明確なものではなく、また、互いに重なり合う場合も多いが、上流側から帯電部、濃縮部、分流部を構成する。
あるいは、上記目的を達成するための本発明の排ガス処理装置は、高電圧電極と該高電圧電極に対向して配置された低電圧電極とを備え、対向電極間に排ガスを流通させ、該対向電極間に高電圧を印加して排ガス中にコロナ放電を形成し、浮遊微粒子物質を帯電させる帯電部と、該帯電部によって帯電された前記浮遊微粒子物質を前記低電圧電極近傍に偏在させる濃縮部と、前記浮遊微粒子物質の濃度が相対的に高くなった前記低電圧電極近傍の排ガスを、前記浮遊微粒子物質の濃度が相対的に高くなった高濃度排ガスと、前記浮遊微粒子物資の濃度が相対的に低くなった低濃度排ガスとに分流する分流部とを有して構成し、更に、前記低電圧電極を筒体で形成し、該低電圧電極の少なくとも上流側部分の帯電部において、前記筒体の低電圧電極の中心付近に沿って長手方向に前記高電圧電極を配置し、前記帯電部の下流側の前記濃縮部において、前記低電圧電極を通気可能に形成すると共に、前記濃縮部と前記分流部において、前記低電圧電極の外側に外筒を設け、前記低電圧電極の上流側から流入する排ガスを、前記低電圧電極の内側を流れる前記低濃度排ガスと、該低電圧電極の外側を流れる前記高濃度排ガスに分けるように構成する。この構成により、集塵電極と外筒の間に、フィルタ等のガス処理部材を設けることができる空間を確保することが容易にできるようになる。
そして、上記の排ガス処理装置において、前記高濃度排ガス中に含まれる浮遊微粒子物質を浄化するフィルタを設けることにより、容易に排ガス中の浮遊微粒子物質を浄化することができる。このフィルタは、前記の濃縮部や分流部に組み入れると、排気ガスシステム全体をコンパクトにすることができる。また、この排ガス処理装置の低電圧電極とは別体にして周知のＤＰＦ等を設けることもでき、この場合には既存のＤＰＦを利用できる。
なお、高濃度排ガスをフィルタで浄化する場合には、浮遊微粒子物質は凝集して肥大化しているので、目の粗いフィルタでも容易に捕集でき、また、圧力損失も少なくて済む。その上、高濃度排ガスの量が元の排ガスの量よりも減少しているので、フィルタの容量を小さくでき、排ガス処理システムをコンパクトにすることができる。
そして、低濃度排ガス側が更なる排ガス処理を必要としない程度まで浄化されていれば、低濃度排ガス側を直接放出する構成にすることができる。また、多少浄化が必要であれば、ＥＧＲガスとしてシリンダに再循環することにより、低濃度排ガス側の更なる排ガス処理を不要にできる。
また、低濃度排ガス側においても更なる排ガス処理が必要で、低濃度排ガスをフィルタで浄化する場合には、大きな浮遊微粒子物質は除去されており、しかもＰＭ量は著しく減少しているので、目の細かいフィルタを使用して残存している数十ｎｍサイズの超微粒子を捕集でき、また、目の細かいフィルタを使用しても目詰まりが生じ難く、長時間にわたって低圧力損失でＰＭを除去できる。その上、低濃度排ガスの量が元の排ガス量よりも減少しているので、フィルタの容量を小さくできる。
つまり、肥大化したＰＭを含む高濃度排ガスと、肥大化したＰＭを含まない低濃度排ガスをそれぞれに適したフィルタ等の除塵装置や集塵装置で効率よく浄化できるようになる。
そして、本発明の排ガス処理方法及び排ガス処理装置は、特に、排ガスが内燃機関の排ガス、中でも、ディーゼルエンジンの排ガスである場合に、この排ガス中に含まれるＰＭの電気抵抗が比較的低く、電気集塵した場合に再飛散し易いため、特にその効果が大きい。
また、これらの排ガス処理装置は、処理すべき排ガスの量と、排ガス処理装置の容量との関係に基づいて、単独又は複数個の組み合せで用いることができる。また、多段に組み合わせて用いることにより、希薄化及び濃縮化の程度や、ＰＭ浄化性能を更に向上することできる。
なお、本発明の排ガス処理方法及び排ガス処理装置の対象ガスは、ディーゼルエンジンの排ガスに限定されるものではなく、その他の車両用の内燃機関、定置式の内燃機関の排ガスのみならず、ボイラや発電機やコジェネレータ等の燃焼機器の排ガス等も含む。また、燃焼によって生じる煤塵のみならず、機械加工等で発生する煤塵も含む。
本発明の排ガス処理方法及び排ガス処理装置によれば、高電圧電極に高電圧を印加して、排気ガス中にコロナ放電を発生させることにより、排ガス中の浮遊微粒子物質を帯電させて、低電圧電極もしくはその近傍に凝集及び偏在させると共に、排ガスを、浮遊微粒子物質の濃度が高い高濃度排ガスと浮遊微粒子物質の濃度が低い低濃度排ガスとに分流するので、ディーゼルエンジンの排ガス中のＰＭのように、比較的電気抵抗が小さく、電気集塵では再飛散するような微粒子物質であっても、容易に濃縮できる。
また、高濃度排ガスでは、浮遊微粒子物質は凝集して肥大化し、しかも濃縮されているので、目の粗いフィルタでも容易に効率よく捕集でき、また、圧力損失も少なくて済む。その上、高濃度排ガスの量が元の排ガス量よりも減少しているので、フィルタの容量を小さくでき、排ガス処理装置や排ガス処理システムをコンパクトにすることができる。
また、低濃度排ガス側においては、大きな浮遊微粒子物質は除去されており、しかもＰＭ量は著しく減少しているので、更に浄化の度合いを高めるためにフィルタで浄化する際にも、目の細かいフィルタを使用して超微粒子を捕集でき、また、目の細かいフィルタを使用しても目詰まりが生じ難く、長時間にわたって低圧力損失でＰＭを除去できる。その上、低濃度排ガスの量が元の排ガス量よりも減少しているので、フィルタの容量を小さくできる。
以下、本発明に係る実施の形態について、ディーゼルエンジンの排ガス中に含まれるＰＭを分離、濃縮する排ガス処理装置を例にして、図面を参照しながら説明する。なお、本発明の対象ガスはこのディーゼルエンジンの排ガスに限定されるものではなく、その他の車両用の内燃機関、定置式の内燃機関の排ガスのみならず、ボイラや発電機やコジェネレータ等の燃焼機器の排ガス、機械加工によって生じる煤塵を含む排ガス等も含むものである。
図１及び図２に、本発明の第１の実施の形態の排ガス処理装置１０の構成を示す。この排ガス処理装置１０は筒状の低電圧電極１１と高電圧電極１２と内筒１３とを有して構成される。
この低電圧電極１１は、高電圧電極１２と対向配置され、高電圧電極と低電圧電極間に印加された高電圧で生じるコロナ放電によって帯電した浮遊微粒子物質２０を捕捉する集塵機能を有すると共に、排ガスＧ，Ｇｂの流路の外壁を形成するもので、ステンレス等の金属等の導電体で形成される。この低電圧電極１１の一端側は排ガスＧの入口部１１ａとなり、他端側は浮遊微粒子物質２０が濃縮された高濃度排ガスＧｂの出口部１１ｂとなる。そして、この低電圧電極１１は電気的に接地（アース）される。
また、高電圧電極１２は、コロナ放電を発生させるための放電極（コロナ放電極）であり、低電圧電極１１の入口部１１ａ側の上流部分の帯電部Ｚ１を最小限含むコロナ放電部Ｚ０の部分において、低電圧電極１１の略中心線上に、即ち低電圧電極１１の中心付近に沿って長手方向に配置される。高電圧電極１２としては、放電の発生及び電気力による効果をよくするために、また、機械的強度等を考慮して、丸形、角形、角捩形等の断面を持った細線、棒、撚り線や、有刺鉄線様、捩りブラシ様のエッジ構造を持った細線、棒、撚り線等で構成する。例えば、直径０．２〜２ｍｍのステンレスワイヤーやピアノ線、不銹鋼線等でもよいし、用途に応じて材質としては、タングステン、ニッケル、チタン、インコネル等の耐蝕性に優れた金属線や、外表面を樹脂、ガラス、セラミック等でコーティングした金属線等を用いてもよい。
そして、内筒１３は、筒状の排ガス分流用配管であり、低電圧電極１１の下流側部分の分流部Ｚ３において、低電圧電極１１の内側に同心で配置される。この内筒１３により、排ガスＧを分流し、内筒１３の内側に浮遊微粒子物質２０が希薄された低濃度排ガスＧａを流通させ、内筒１３の外側に浮遊微粒子物質２０が濃縮された高濃度排ガスＧｂを流通させる。この内筒１３は、導電体であっても導電体でなくもよいので、排ガスＧの種類に応じて金属やその他の材料で形成される。ここでは、ディーゼルエンジンの排ガスＧに対応してステンレス製とする。
この低電圧電極１１と内筒１３は、処理排ガス量が少ない時は、図２（ａ）に示すように、円形断面の筒状に形成され、高電圧電極１２もその中心に１本配置されるが、処理排ガス量が多い時には、図２（ｂ）に示すように、矩形断面の筒状に形成され、高電圧電極１２もその中心において平行に複数本配置される。
この構造の排ガス処理装置１０において、ディーゼルエンジンの排ガスＧを入口部１１ａから流入させると共に、高電圧電極１２に負の高電圧（例えば−１０ｋＶ）を印加する。この高電圧の印加により、この高電圧電極１２の周辺部にコロナ放電が生じ、その外周部にイオンが充満するので、排ガスＧ中のＰＭ（浮遊微粒子物質）２０は、このイオンを吸着して帯電する。
この放電部Ｚ０の上流側の帯電部Ｚ１で帯電したＰＭ２０は、放電部Ｚ０の下流側の濃縮部Ｚ２において、静電気力（クーロン力）により低電圧電極１１（この例では接地電位）の電極表面１１ｓに捕集される。この低電圧電極表面１１ｓでは数十ｎｍサイズの超微粒子を含んだＰＭ２０が捕集され、凝集し、より大きなサイズのＰＭ２０を形成しＰＭ２０の肥大化が行われる。
このディーゼルエンジンの排ガスＧ中に含まれるＰＭ２０は比較的電気抵抗が低いため、電荷を失い易い。そのため、肥大化したＰＭ２０は電荷を失って静電気力を失うので、排ガスＧの流れによって低電圧電極表面１１ｓから剥離し、再飛散する。この再飛散したＰＭ２０は低電圧電極表面１１ｓに沿って下流側に移行するので、内筒１３と低電圧電極１１の間の通路を通り、出口部１１ｂから排ガスＧｂと共に排出される。
そして、排ガスＧ中の殆どのＰＭ２０が静電気力により低電圧電極１１に引き寄せられるので、低電圧電極１１の周辺では（入口部の排ガス中に比べて）相対的にＰＭ２０の濃度は高くなり、低電圧電極１１近傍にＰＭ２０が「濃縮」された状態となる。そのため、出口部１１ｂから排出される排ガスＧｂはＰＭ２０の濃度が相対的に高くなった高濃度排ガスとなる。
一方、低電圧電極１１の中心部、即ち、高電圧電極１２の周辺部を流れる排ガスＧａは、内筒１３の入口部１３ａから内筒１３の内側に入り、この内側通路を通って出口部１３ｂから排出される。この排ガスＧａは、排ガスＧ中の殆どのＰＭ２０が静電気力により低電圧電極１１に引き寄せられるので、ＰＭ２０は希薄され低濃度排ガスとなる。
従って、この排ガス処理装置１０によれば、コロナ放電による帯電部Ｚ１の下流側に濃縮部Ｚ２を設けることによって、コロナ放電で帯電したＰＭ２０を低電圧電極表面１１ｓに捕集し、この捕集され、凝集して大きなサイズになったＰＭ２０が低電圧電極表面１１ｓから再飛散する現象を利用して、低電圧電極１１近傍でＰＭ２０を濃縮できる。そして、内筒１３による分流部Ｚ３を設けることにより、高電圧電極１２近傍のＰＭが希薄された低濃度排ガスＧａと、低電圧電極１１近傍のＰＭ２０が濃縮された高濃度排ガスＧｂを分離できる。
なお、この内筒１３を導電体で形成し、電位を低電圧電極１１と同じにした場合には、この内筒１３の内側表面及び外側表面でＰＭ２０の凝集及び再飛散によるＰＭの肥大化効果を得ることができる。また、図１では、高電圧電極１２を内筒１３の上流側で配置を終えている構成となっているが、高電圧電極１２を内筒１３内まで延設する構成とし、分離された低濃度排ガスＧａに対して内筒１３内におけるＰＭの肥大化効果を得るようにしてもよい。なお、実際には、この高電圧電極１２の下流端１２ｂと内筒１３の先端部分においては、静電場（電気力線）を好ましい状態にし、放電を安定化するために、絶縁破壊に対する配慮として、高電圧電極１２の端末部の電界緩和等が必要である。
図３及び図４に、本発明の第２の実施の形態の排ガス処理装置１０Ａの構成を示す。この排ガス処理装置１０Ａは、筒状の低電圧電極１１と高電圧電極１２と外筒１４とを有して構成される。
この筒状の低電圧電極１１は、濃縮部Ｚ２においては、高電圧電極１２に高電圧を印加した時に生じるコロナ放電により帯電した浮遊微粒子物質２０を引き寄せる集塵機能を有すると共に、排ガスＧの一部Ｇｂを分岐する境界として機能する。そして、分流部Ｚ３においては、排ガスＧ，Ｇａ，Ｇｂの流路壁を形成するものとして機能する。
この低電圧電極１１は、第１の実施の形態の排ガス浄化装置１０と同様に、金属等の導電体で形成され、電気的に接地（アース）されるが、高電圧電極１２の上流端１２ａより少し下流側の濃縮部Ｚ２においては、排気ガスＧｂが通過可能な透過部１１ｐを設けて構成される。この透過部１１ｐは、金網、パンチングメタル、発泡金属等でメッシュ状又は多孔状に形成され、集塵機能と排ガスＧｂ及びＰＭ２０を通過させる機能を有して構成される。そして、この低電圧電極１１は、透過部１１ｐの下流側の分流部Ｚ３では、通気不能の壁面１１ｃで形成される。
また、高電圧電極１２は、第１の実施の形態の排ガス処理装置１０と同様に、金属等の導電体で形成される。そして、外筒１４は、濃縮部Ｚ２と分流部Ｚ３において、低電圧電極１１の外側に配置される円筒状の外壁であり、金属またはその他の材料で形成される。
この低電圧電極１１と外筒１４は、処理排ガス量が少ない時は、図４（ａ）に示すように、円形断面の筒状に形成され、高電圧電極１２もその中心に１本配置されるが、処理排ガス量が多い時には、図４（ｂ）に示すように、細長い断面の筒状に形成され、高電圧電極１２もその中心において平行に複数本配置される。
この構造の排ガス処理装置１０Ａにおいて、ディーゼルエンジンの排ガスＧを入口部１１ａから流入させると共に、高電圧電極１２に高電圧を印加する。この高電圧の印加により、この高電圧電極１２の周辺部にコロナ放電を生じ、その外周部にイオンが充満するので、排ガスＧ中のＰＭ（浮遊微粒子物質）２０は、このイオンを吸着して帯電する。
この放電部Ｚ０の上流側の帯電部Ｚ１で帯電したＰＭ２０は、放電部Ｚ０の下流側の濃縮部Ｚ２において、静電気力（クーロン力）により低電圧電極１１の透過部１１ｐに引き寄せられる。この引き寄せられたＰＭ２０は、透過部１１ｐに付着したり、慣性により透過部１１ｐのメッシュの隙間や孔から通り抜ける。なお、高電圧電極１２の近傍に形成されたコロナ放電場から離れても、帯電したＰＭ２０は静電気力で低電圧電極１１方向にドリフトする。
この透過部１１ｐに一旦付着した数十ｎｍサイズの超微粒子を含んだＰＭ２０は凝集し、より大きなサイズのＰＭ２０を形成しＰＭ２０の肥大化が行われる。そして、ディーゼルエンジンの排ガス中に含まれるＰＭは比較的電気抵抗が低く、電荷を失い易いため、肥大化したＰＭ２０は電荷を失って静電気力を失うので、排ガスＧｂの流れによって低電圧電極１１の透過部１１ｐから剥離及び再飛散し、下流側に移行する。そして、このＰＭ２０を含んだ高濃度排ガスＧｂは、外筒１４と低電圧電極１１の間の通路を通り、出口部１４ｂから排出される。
一方、低電圧電極１１の中心部、即ち、高電圧電極１２の周辺部を流れる低濃度排ガスＧａは、低電圧電極１１の内側を通り、出口部１１ｂから排出される。
そして、この中心部側の排ガスＧａでは、ＰＭ２０の量が減少し、ＰＭ２０が希薄された低濃度排ガスとなり、一方の低電圧電極１１の外側の排ガスＧｂでは、ＰＭ２０の量が増加し、ＰＭが濃縮された高濃度排ガスとなる。
なお、図３では、高電圧電極１２を透過部１１ｐよりも上流側に延設し、帯電部Ｚ１を上流側に設けて、この部分でも低電圧電極１１で捕集されたＰＭ２０を肥大化し再飛散させているが、構造を単純化するために、この部分の凝集効果を犠牲にして、高電圧電極１２の上流端１２ａを透過部１１ｐの上流端と同じ部分に設けてもよい。
また、図３では、高電圧電極１２の下流端１２ｂを低電圧電極１１の分流部Ｚ３内まで延設する構成とし、これにより、低濃度排ガスＧａを分離した後について更にコロナ放電場を維持し、この部分で低濃度排ガスＧａに残存しているＰＭの凝集処理を行って、ＰＭの２次処理のための前処理を行っているが、構成の単純化のために、高電圧電極１２の下流端１２ｂを分流部Ｚ３の上流側に設ける構成としてもよい。
また、外筒１４は、高濃度排ガスＧｂの通路形成の機能を有するものであればよいが、導電体で形成し、低電圧電極１１と同じ電位（接地等）に保持すると、慣性によりそのまま透過部１１ｐを通過してきたＰＭ２０がこの外筒１４の内周壁面で凝集すると、その電荷を失い易くなるので、剥離及び再飛散し易くなる。
この排ガス処理装置１０Ａによれば、コロナ放電による帯電部Ｚ１の下流側にＰＭの濃縮部Ｚ２を設けることによって、コロナ放電で帯電したＰＭ２０を濃縮できる。つまり、帯電したＰＭ２０が、透過部Ｚ２の電極表面である透過部１１ｐに付着し、この部分で凝集して大きなサイズになって、透過部１１ｐから再飛散する現象と、ＰＭ２０が慣性により透過部１１ｐを通過する現象を利用して、低電圧電極１１の透過部１１ｐの外側にＰＭ２０を濃縮できる。また、分流部Ｚ３において、高電圧電極１２近傍の排ガスＧａを低電圧電極１１の内側に流し、透過部１１ｐを通過した排ガスＧｂを低電圧電極１１の外側に流すことにより、ＰＭ２０が希薄された低濃度排ガスＧａとＰＭ２０が濃縮された高濃度排ガスＧｂとを分けることができる。
図５に、本発明の第３の実施の形態の排ガス処理装置１０Ｂの構成を示す。この排ガス処理装置１０Ｂは、第２の実施の形態の排ガス処理装置１０Ａの構成に加えて、低電圧電極１１の透過部１１ｐから帯電したＰＭ２０を引き込む静電界を設けるために第３の電極である吸引用電極１５を設けて構成する。
この吸引用電極１５を設けた場合においては、吸引用電極１５を電気的に接地し、低電圧電極１１には、高電圧電極１２と吸引用電極１５の間の適当な中間電位が印加される。
また、この吸引用電極１５は、図５では、低電圧電極１１と外筒１４の間に設けているが、外筒１４を導電体で形成し電気的に接地することによりに吸引用電極１５の機能を兼用させてもよい。
この構造の排ガス処理装置１０Ｂによれば、低電圧電極１１の透過部１１ｐで再飛散するＰＭ２０や透過部１１ｐを通過する帯電したＰＭ２０を、吸引用電極１５で形成した電位場により、より強く低電圧電極１１の透過部１１ｐの外側に吸引できるので、再飛散したＰＭ２０や帯電したＰＭ２０が低電圧電極１１の内側に入り込むのを防止でき、より効率よくＰＭ２０を分離及び濃縮できる。
図６及び図７に、本発明の第４の実施の形態の排ガス処理装置１０Ｃの構成を示す。この排ガス処理装置１０Ｃでは、第２又は第３の実施の形態の微粒子分離装置１０Ａ，１０Ｂの構成に、フィルタ１６を追加して設けることにより、ＰＭ２０が濃縮された高濃度排ガスＧｂからＰＭ２０を除去するように構成する。なお、１７は高電圧電極１２を電気的に絶縁するための碍子である。
また、低電圧電極１１の外側の外筒１４においては、低電圧電極１１の透過部１１ｐの下流側に仕切り壁１４ａを設けて、フィルタ１６を配置する部分と、低濃度排ガスＧａを通過させる部分とを区切る。それと共に、仕切り壁１４ａの上流側にフィルタ処理された排ガスＧｂ’を流出させる第１排出口１４ｂを設け、仕切り壁１４ａの下流側に低濃度排ガスＧａを流出させる第２排出口１４ｃを設ける。
また、低電圧電極１１の透過部１１ｐの下流側の通気不能の壁面１１ｃの下流側に、更に通気可能の第２透過部１１ｄを設け、壁面１１ｃ内を通ってきた低濃度排ガスＧａがこの第２透過部１１ｄを通過して第２排出口１４ｃから流出できるように構成する。
そして、低電圧電極１１と外筒１４の仕切り壁１４ａの上流側の空間に配置されるフィルタ１６は、低電圧電極１１の透過部１１ｐを通過する高濃度排ガスＧｂを浄化するためのフィルタであり、パンチングメタル、焼結金網、焼結フィルタ、金属繊維フィルタ、孔径がＤＰＦより粗いセラミックフィルタ、金属ハニカム、セラミックハニカム、ガラスウールやこれらの基材に酸化触媒を担持したもの等の周知のフィルタを用いて形成することができる。
また、このフィルタ１６では、高濃度排ガスＧｂ中のＰＭ２０は肥大化しているので、目の粗いフィルタでも容易に捕集でき、圧力損失を小さくすることができる。図６の構成では、孔径１ｍｍ（ピッチ２ｍｍ）のパンチングメタルを３層に設けて形成している。
そして、フィルタ１６に捕集されたＰＭ２０については、ＰＭ捕集面の近傍に第４のＰＭ燃焼用電極を配置する方法や、ＰＭ捕集面に酸化触媒を塗布する方法や、ＰＭ捕集面近傍にヒータを配置する方法等により、ＰＭ捕集面の再生を図り、そのＰＭ捕集性能を長時間維持する。
この第４のＰＭ燃焼用電極を用いてＰＭの燃焼除去する場合には、パンチングメタルの多層配置のピッチを大きくとると共に、低電圧電極１１等の配管とは電気的に絶縁した金網（図示しない）を第４のＰＭ燃焼用電極として、パンチングメタルのＰＭ捕集面に対して１ｍｍ〜２ｍｍ程度の間隔を設けて配置し、この金網に外部から電圧を供給して金網とＰＭ捕集面の間で放電を発生させることにより、フィルタ１６に捕集したＰＭを燃焼除去するように構成する。
また、酸化触媒を塗布する場合には、フィルタ１６のＰＭ捕集面に酸化チタン、白金等の酸化触媒を塗布したり、又は、ＰＭ捕集面に肉厚が３ｍｍ程度以下の触媒担持体を配置して、これらの酸化触媒の作用により、ＰＭ燃焼開始温度を低下させてるように構成する。なお、この触媒の担持体は金属でも絶縁材料でもよいし、また、形状的にはバルクでもよいし、多孔体でもよい。
また、ヒータを使用する場合には、フィルタ１６のＰＭ捕集面にニクロム線等のヒータを配置し、定期的にヒータ加熱してＰＭ燃焼除去する。
この低電圧電極１１と外筒１４とフィルタ１６は、処理排ガス量が少ない時は、図７（ａ）に示すように、円形断面の筒状に形成され、高電圧電極１２もその中心に１本配置されるが、処理排ガス量が多い時には、図７（ｂ）に示すように、細長い断面の筒状に形成され、高電圧電極１２もその中心において平行に複数本配置される。
この構成の排ガス処理装置１０Ｃによれば、このフィルタ１６を設けることにより、ＰＭ２０が肥大化されて濃縮された高濃度排ガスＧｂを効率よく浄化して、第１排出口１４ｂから排出される排ガスＧｂ’をクリーンなガスにすることができる。
一方、低濃度排ガスＧａはＰＭ２０が希薄されているので、必ずしもＰＭ捕集用のフィルタを通さなくてもよいが、この低濃度排ガスＧａ用のフィルタを設ける場合でも、排ガス量が元の排ガスＧの量に比較して大きく減少し、しかも、大きなＰＭは除去されているので、目の細かいフィルタを使用することができ、しかも目の細かいフィルタを使用しても目詰まりの進展が遅く、圧力損失も小さくてすむ。
また、この低濃度排ガスＧａをＥＧＲ用の排ガスとしてシリンダ内に再循環するように構成すると、低濃度排ガスＧａが直接外気に排出されることがなくなり、フィルタを設ける必要もなくなる。
図８に、本発明の第５の実施の形態の排ガス処理装置１０Ｄの構成を示す。この排ガス処理装置１０Ｄの構成では、フィルタ１６を通過した後の排ガスＧｂ’と、低濃度排ガスＧａを合流させてから排ガスＧｃとして排出する構成にしたものである。
これにより、排ガスＧ，Ｇａ，Ｇｂの流れを円滑にすると共に、図６に示されている排気ガスＧｂの第１排出部１４ｂのような装置の凹凸を無くして、省スペースにし、また、配管し易くしている。
なお、この第５の実施の形態の排ガス処理装置１０Ｄの構成においては、低電圧電極１１の透過部１１ｐの下流側の通気不能の壁面１１ｃの部分は必ずしも必要ではなくなるが、この場合は仕切り壁１４ａの部分が分流部Ｚ３に対応することになる。
また、図６〜図８の構成では、外筒１４内にフィルタ１６を収容し、装置のコンパクト化を図っているが、排ガス処理装置１０，１０Ａ，１０Ｂとは別体にフィルタを設けた場合でも、高濃度排ガスＧｂ中のＰＭが肥大化しているので、目の粗いフィルタでも捕集が容易であり、圧力損失を小さくすることができる。
以上の各実施の形態の排ガス処理装置１０、１０Ａ〜１０Ｄにおいては、図２（ａ），図４（ａ），図７（ａ）に示すように、低電圧電極１１を円筒として説明してきたが、本発明は、この構成に限定されることなく、円筒以外の四角形等の多角形の筒体であってもよい。また、排ガス量が多い場合には、図２（ｂ），図４（ｂ），図７（ｂ）に示すように、低電圧電極１１を断面矩形状に形成し、その中心付近に長手方向（矩形断面と垂直な方向）に沿って、高電圧電極１２を複数本、平行に配置して構成するが、更に、排ガス量が多い場合は、図９に示すように、複数本の高電圧電極１２を平行配置し、コロナ放電部を広げることもできる。また、排ガスが多量の場合には、各実施の形態の形態の排ガス処理装置を、並行配置することにより対応でき、また、高濃度排ガスの濃縮度、低濃度排ガスの浄化率をより高くする場合には、多段に配置することで対応できる。
図１及び図２（ａ）に示すような第１の実施の形態の排ガス処理装置１０において、高電圧電極１２を径０．２ｍｍφのステンレスワイヤーで形成し、低電圧電極１１を内径３８ｍｍφのステンレスの円筒で形成し、内筒１３を内径１５ｍｍφのステンレスの円筒で形成した。円筒の内側の断面積と外側の断面積の比は５：３となる。
この排ガス処理装置１０を、小型のディーゼル発電機（最大出力５ｋＷ）の排ガス管部分に直接接続して配置し、２．４ｋＷ（４８％）負荷時の運転条件で実験を行った。高電圧電極には、負極性直流高電圧電源を用いて、−１０ｋＶ，０．４ｍＡの電流を供給した。排ガス処理装置１０の温度は１００℃〜２００℃で、排ガス流量は２００Ｌ／ｍｉｎ（常温換算）程度で、放電部（長さ１２０ｍｍ）での滞留時間は０．１ｓ程度である。
この実験で、０．６μｍの微粒子を捕集できる石英フィルタにより各排ガス中のＰＭを捕集し、５０Ｌサンプリングした後のフィルタの表面を低真空電子走査顕微鏡を用いて観察し、粒子直径の分布を観察した。
その結果、放電有りと放電無しの場合では二重管内側の低濃度排ガスが通過したフィルタに、見た目でも明らかな差が見られ、また、顕微鏡観察でも、数μｍサイズの微粒子が殆ど見当たらず、希薄されていることが分かった。また、高濃度排ガスに含まれたＰＭを顕微鏡観察した結果、数十μｍ〜数百μｍの微粒子となっており、このＰＭの粒子径が処理前の排ガス中のＰＭの粒子径（数μｍ）よりも大きくなっており、著しく肥大化効果のあることが分かった。
つまり、この実験結果より、排ガス圧力の上昇無しに、ディーゼルエンジンのＰＭを低電圧電極近傍のガス排出ラインに集め、高電圧電極近傍のガス排出ラインからほぼ完全に分離することが可能であることが確認でき、また、数μｍ程度の微粒子を高電圧印加により、より大きな微粒子に肥大化できることも確認できた。
図６及び図７（ａ）に示すような第４の実施の形態の排ガス処理装置１０Ｃにおいて、高電圧電極１２を径０．６ｍｍφのステンレスワイヤーで形成し、低電圧電極１１を内径５８ｍｍφのステンレスの円筒で形成し、外筒１４を外径２２０ｍｍφのステンレスの円筒で形成した。また、フィルタ１６を孔径１ｍｍのパンチングメタルで２ｍｍピッチで３層に配置した。
この排ガス処理装置１０Ｃを、２ｔトラック車の排ガス管部分に直接接続して配置し、エンジン回転数５５０ｒｐｍ，排ガス温度約７０℃、排ガス量約１４００Ｌ／ｍｉｎ条件で実験を行った。高電圧電極には、負極性直流高電圧電源を用いて、−１８ｋＶを印加した。帯電部（長さ３００ｍｍ）における滞留時間は約３０ｍｓで、濃縮部（長さ５５０ｍｍ）の滞留時間は約５５ｍｓである。
この実験では、０．３μｍφ粒子の捕捉率９９．９％以上のガラス繊維濾紙を用いて，排ガスＧａ，Ｇｂ’を定流量ポンプで吸引して排ガス中のＰＭを捕集した。
その結果、放電有りと放電無しの場合では排ガスＧａが通過した濾紙及びフィルタ１６を通過した排ガスＧｂ’が通過した濾紙において、見た目でも明らかな差が見られ、コロナ放電電極に電圧を印加することによって、ＰＭが著しく低減できていることが分かった。
図８に示すような第５の実施の形態の排ガス処理装置１０Ｄにおいて、実施例２と同様な寸法及び条件で実験を行い、０．３μｍφ粒子の捕捉率９９．９％以上のガラス繊維濾紙を用いて、再合流した排ガスＧｃを定流量ポンプで吸引して排ガス中のＰＭを捕集した。
その結果、放電有りと放電無しの場合では、排ガスＧｃが通過した濾紙において、見た目でも明らかな差が見られ、コロナ放電電極に電圧を印加することによって、ＰＭが著しく低減できていることが分かった。
本発明の第１の実施の形態の排ガス処理装置の構成図である。 図１の排ガス処理装置の断面図であり、（ａ）は円筒状の低電圧電極と単数の高電圧電極を示す図で、（ｂ）矩形状の低電圧電極と複数の高電圧電極を示す図である。 本発明の第２の実施の形態の分離装置の構成図である。 図３の排ガス処理装置の断面図であり、（ａ）は円筒状の低電圧電極と単数の高電圧電極を示す図で、（ｂ）細長い断面形状の低電圧電極と複数の高電圧電極を示す図である。 本発明の第３の実施の形態の分離装置の構成図である。 本発明の第４の実施の形態の分離装置の構成図である。 図６の排ガス処理装置の断面図であり、（ａ）は円筒状の低電圧電極と単数の高電圧電極を示す図で、（ｂ）細長い断面形状の低電圧電極と複数の高電圧電極を示す図である。 本発明の第５の実施の形態の分離装置の構成図である。 円筒状の低電圧電極と複数の高電圧電極を示す図である。
符号の説明
１０，１０Ａ〜１０Ｄ 排ガス処理装置
１１ 低電圧電極
１２ 高電圧電極
１３ 内筒
１４ 外筒
２０ 浮遊微粒子物質
Ｇ 排ガス
Ｇａ 低濃度排ガス
Ｇｂ 高濃度排ガス
Ｚ０ 放電部
Ｚ１ 帯電部
Ｚ２ 濃縮部
Ｚ３ 分流部

Claims (7)

  1. 高電圧電極と、該高電圧電極に対向して配置され、かつ、筒体で形成された低電圧電極とを備え、該低電圧電極の少なくとも上流側部分の帯電部において、前記筒体の低電圧電極の中心付近に沿って長手方向に前記高電圧電極を配置した排ガス処理装置の排気ガス処理方法であって、対向電極間に排ガスを流通させ、放電部で該対向電極間に高電圧を印加して排ガス中にコロナ放電を発生させ、前記帯電部で該コロナ放電によって前記排ガス中の浮遊微粒子物質を帯電・凝集して、前記放電部の下流側の濃縮部で、前記低電圧電極近傍に偏在させ、前記濃縮部の下流の分流部において、前記低電圧電極の内側に設けた排ガス分流用の内筒の内側に前記低濃度排ガスが流れ、該内筒の外側に前記高濃度排ガスが流れるようにして、両電極間に流通させた排ガスを、前記低電圧電極近傍を流れる排ガスと前記低電圧電極の中心部を流れる排ガスとに分流させることを特徴とする排ガス処理方法。
  2. 高電圧電極と該高電圧電極に対向して配置され、筒体で形成された低電圧電極とを備え、前記低電圧電極の少なくとも上流側部分の帯電部において、前記筒体の低電圧電極の中心付近に沿って長手方向に前記高電圧電極を配置し、かつ、前記帯電部の下流側の濃縮部において、前記低電圧電極を通気可能に形成し、更に、前記濃縮部の下流側の分流部を設け、前記濃縮部と前記分流部において、前記低電圧電極の外側に外筒を設けた排ガス処理装置の排気ガス処理方法であって、対向電極間に排ガスを流通させ、該対向電極間に高電圧を印加して排ガス中にコロナ放電を発生させ、該コロナ放電によって前記排ガス中の浮遊微粒子物質を帯電・凝集して、静電気力により低電圧電極に引き寄せることにより前記低電圧電極近傍に偏在させ、前記浮遊微粒子物質の濃度が相対的に高くなった高濃度排ガスを排ガス分流用の筒体である前記低電圧電極の外側に流し、前記浮遊微粒子物資の濃度が相対的に低くなった低濃度排ガスを前記低電圧電極の内側に流して分流することを特徴とする排ガス処理方法。
  3. 前記高濃度排ガスをフィルタで浄化することを特徴とする請求項１又は２に記載の排ガス浄化方法。
  4. 高電圧電極と該高電圧電極に対向して配置された低電圧電極とを備え、対向電極間に排ガスを流通させ、該対向電極間に高電圧を印加して排ガス中にコロナ放電を形成し、浮遊微粒子物質を帯電させる帯電部と、該帯電部によって帯電された前記浮遊微粒子物質を前記低電圧電極近傍に偏在させる濃縮部と、前記対向電極間に流通させた排ガスを、前記浮遊微粒子物質の濃度が相対的に高くなった高濃度排ガスと、前記浮遊微粒子物資の濃度が相対的に低くなった低濃度排ガスとに分流する分流部とを有して構成し、更に、前記低電圧電極を筒体で形成し、該低電圧電極の少なくとも上流側部分の帯電部において、前記筒体の低電圧電極の中心付近に沿って長手方向に前記高電圧電極を配置すると共に、前記濃縮部の下流の分流部において、前記低電圧電極の内側に排ガス分流用の内筒を設け、該内筒はその内側に前記低濃度排ガスが流れ、該内筒の外側に前記高濃度排ガスが流れるように配置して、両電極間に流通させた排ガスを、前記低電圧電極近傍を流れる排ガスと前記低電圧電極の中心部を流れる排ガスとに分流させることを特徴とする排ガス処理装置。
  5. 高電圧電極と該高電圧電極に対向して配置された低電圧電極とを備え、対向電極間に排ガスを流通させ、該対向電極間に高電圧を印加して排ガス中にコロナ放電を形成し、浮遊微粒子物質を帯電させる帯電部と、該帯電部によって帯電された前記浮遊微粒子物質を前記低電圧電極近傍に偏在させる濃縮部と、前記浮遊微粒子物質の濃度が相対的に高くなった前記低電圧電極近傍の排ガスを、前記浮遊微粒子物質の濃度が相対的に高くなった高濃度排ガスと、前記浮遊微粒子物資の濃度が相対的に低くなった低濃度排ガスとに分流する分流部とを有して構成し、更に、前記低電圧電極を筒体で形成し、該低電圧電極の少なくとも上流側部分の帯電部において、前記筒体の低電圧電極の中心付近に沿って長手方向に前記高電圧電極を配置し、前記帯電部の下流側の前記濃縮部において、前記低電圧電極を通気可能に形成すると共に、前記濃縮部と前記分流部において、前記低電圧電極の外側に外筒を設け、前記低電圧電極の上流側から流入する排ガスを、前記低電圧電極の内側を流れる前記低濃度排ガスと、該低電圧電極の外側を流れる前記高濃度排ガスに分けるように構成したことを特徴とする排ガス処理装置。
  6. 前記高濃度排ガス中に含まれる浮遊微粒子物質を浄化するフィルタを設けたことを特徴とする請求項４又は５のいずれか１項に記載の排ガス浄化装置。
  7. 前記排ガスが内燃機関の排気ガスであることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の排ガス浄化装置。
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