JP4619969B2 - プラズマ反応装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ反応装置に関し、さらに詳しくは、過剰にエネルギーを投入することなく、排気ガスを効果的に処理することが可能なプラズマ反応装置に関する。

二枚の電極間に誘電体を配置し高電圧の交流、あるいは周期パルス電圧をかけることにより、無声放電が発生し、これによりできるプラズマ場では活性種、ラジカル、イオンが生成され、気体、粒子状物質等の反応、分解を促進することが知られている。そして、これを用いて、ディーゼルエンジン等の内燃機関から発生する粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ：ＰＭ）を処理する方法が提案されている。

例えば、平行平板を用いたプラズマリアクタ、同心円状のプラズマリアクタ、内部にペレットを入れるパックドベッド型プラズマリアクタ等が提案されている。

内燃機関から発生するＰＭの発生量は、その運転状態等により時々刻々と変化するため、常時ＰＭの発生量に最適なエネルギーを投入しながらプラズマリアクタでＰＭを処理することは困難であった。例えば、予めエンジンの回転数とトルクに応じて発生するＰＭの量を確認しておき、実際の運転時にエンジン回転数及びトルクに応じたエネルギーを投入してプラズマリアクタでＰＭを処理する方法がある。しかしながら、この方法では、エンジン回転数とトルクに応じて発生するＰＭの量が、吸気条件、エンジン温度等によって変動するため、実際の運転時には必ずしも最適なエネルギー投入量とすることはできなかった。そして、ＰＭを確実に処理する必要性から、実際に必要とされるエネルギーより大きなエネルギーを投入する必要があった。

このような方法以外にも、内燃機関の運転時に、排気系に配置されたプラズマ処理装置の上流側と下流側とに、温度、ＮＯ_ｘ、酸素等の検出手段を配置し、これらの検出手段により排気ガスの状態を検出し、その値に基づきプラズマ処理装置への投入電力を制御する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、スモークセンサや光散乱パーティクルカウンタ等の濃度検出手段により、プラズマ発生装置に流入する排気ガス中の粒子状物質の濃度を検出し、その値に基づきプラズマ発生装置の駆動を制御する方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。また、排気通路にプラズマ発生装置を配置した内燃機関の排気浄化装置において、排気温度センサ及び空燃比（Ａ／Ｆ）センサにより得られたデータに基づき、プラズマ発生装置の交流電圧周波数及び／又は電圧を制御する方法が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００２−１５５７３１号公報 特開２００４−９２５８９号公報 特許３５５１１５６号公報

上記方法は、いずれも内燃機関の運転状況に応じてプラズマを発生させる装置への投入電力等を制御しようとするものであるが、プラズマを発生させる装置内の反応状況を直接検知しているものではないため、制御遅れが生じたり、制御マージンが必要になったりという問題があった。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、過剰にエネルギーを投入することなく、排気ガスを効果的に処理することが可能なプラズマ反応装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、以下のプラズマ反応装置を提供するものである。

［１］ 複数の単位電極が所定間隔を隔てて階層的に積層されてなるプラズマ発生電極と、前記プラズマ発生電極を内部に配設するケース体と、前記単位電極に電圧を印加する電源とを備え、前記電源から前記単位電極間にパルス電圧を印加することによって前記単位電極間に形成される空間にプラズマを発生させ、前記空間内に導入された排ガスを反応処理することが可能なプラズマ反応装置であって、前記ケース体に、前記プラズマによる発光を外部から検知するための光透過部が形成され、前記ケース体の光透過部を通じて、前記プラズマによる発光を検知することが可能な光検出手段と、前記光検出手段で検知した光の強度に応じて、前記単位電極に印加される電気エネルギーを制御する制御手段とを更に備えたプラズマ反応装置。

［２］ 前記光検出手段が、前記プラズマによる発光の中の、窒素原子ラジカル、窒素分子ラジカル、酸素原子ラジカル及び酸素分子ラジカルに由来する光を検知する［１］に記載のプラズマ反応装置。

［３］ 前記光検出手段が、グレーティング、レンズ、及び受光器を有し、入射した光を、グレーティングで分光し、得られた各波長の光をレンズで集光し、前記受光器で、特定の波長の光を受光して、その強度を検出するように形成されたものである［１］又は［２］に記載のプラズマ反応装置。

［４］ 前記光検出手段が、入射した光を集光してグレーティングに入射させる第２レンズを更に有する［３］に記載のプラズマ反応装置。

［５］ 前記ケース体が、前記光透過部に外部レンズを有し、前記プラズマによる発光を、前記外部レンズにより集光して前記光検出手段に入射させる［１］〜［３］のいずれかに記載のプラズマ反応装置。

本発明のプラズマ反応装置によれば、プラズマによる発光を検知することが可能な光検出手段と、光検出手段で検知した光の強度に応じて、単位電極に印加される電気エネルギーを制御する制御手段とを備えるため、プラズマ発生電極における排気ガスの反応状態を直接検知しながらプラズマ発生電極への投入エネルギーを制御することが可能になり、過剰にエネルギーを投入することなく、排気ガスを効果的に処理することが可能になる。

次に本発明の実施形態を図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。また、各図面において、同一の符号を付したものは、同一の構成要素を示すものとする。

図１は、本発明のプラズマ反応装置の一の実施形態を示す模式図である。本実施形態のプラズマ反応装置１００は、図１に示すように、複数の単位電極２が所定間隔を隔てて階層的に積層されてなるプラズマ発生電極１と、プラズマ発生電極１を内部に配設するケース体１１と、単位電極２に電圧を印加する電源２１とを備えるものであり、電源２１から単位電極２間にパルス電圧を印加することによって単位電極２間に形成される空間３にプラズマを発生させ、空間３内に導入された排ガスを反応処理することが可能なプラズマ反応装置である。そして、本実施形態のプラズマ反応装置１００は、ケース体１１に、プラズマによる発光を外部から検知するための光透過部１２が形成され、ケース体１１の光透過部１２を通じて、プラズマによる発光を検知することが可能な光検出手段３１と、光検出手段３１で検知した光の強度に応じて、単位電極２に印加される電気エネルギーを制御する制御手段４１とを更に備えたものである。光検出手段３１と制御手段４１、制御手段４１と電源２１、及び、電源２１と単位電極２が、それぞれ電気的に接続されている。

このように、本実施の形態のプラズマ反応装置は、プラズマによる発光を検知することが可能な光検出手段と、光検出手段で検知した光の強度に応じて、単位電極に印加される電気エネルギーを制御する制御手段とを備えるため、プラズマによる発光を直接検知しながら単位電極に印加される電気エネルギー（投入エネルギー）を制御することが可能となる。そして、それにより、プラズマ発生電極における排気ガスの反応状態を直接検知しながらプラズマ発生電極への投入エネルギーを制御することが可能になり、過剰にエネルギーを投入することなく、排気ガスを効果的に処理することが可能になる。

本実施の形態のプラズマ反応装置で粒子状物質を反応処理する場合には、投入エネルギー（電気エネルギー）が不足して粒子状物質の処理が不十分である場合、投入エネルギーが適度であり粒子状物質の処理が十分である場合、及び投入エネルギーが過剰であり粒子状物質の処理が十分である場合のそれぞれにおいて、プラズマによる発光の各波長のスペクトル強度が異なるものとなる。例えば、投入エネルギーが過剰である場合には、酸素原子ラジカルや酸素分子ラジカルに起因する発光が大きくなり、また、投入エネルギーが不足して粒子状物質の処理が不十分である場合には、酸素原子ラジカルや酸素分子ラジカルに起因する発光が小さくなる。また、プラズマ反応装置内には窒素分子が安定的に存在し、投入エネルギーの大小に因らず、一定のスペクトル強度を示すため、窒素原子ラジカルや窒素分子ラジカルに起因する発光を基準にして、他の発光の変化を確認することが可能である。以上より、本実施形態のプラズマ反応装置においては、光検出手段が、プラズマによる発光の中の、窒素原子ラジカル、窒素分子ラジカル、酸素原子ラジカル及び酸素分子ラジカルに由来する光を検知して、プラズマ発生電極の単位電極に印加する電気エネルギーを制御することが好ましい。更に具体的には、酸素原子ラジカルに起因する波長７７７ｎｍ近辺、８４５ｎｍ近辺及び９２６ｎｍ近辺の発光スペクトル、酸素分子ラジカルに起因する波長７６１ｎｍ近辺の発光スペクトル、並びに、窒素原子ラジカル及び窒素分子ラジカルに起因する波長３５０ｎｍ近辺の発光スペクトルを光検出手段で検知し、制御手段でそれぞれの波長のスペクトル強度を比較して投入エネルギーの過不足を判断し、必要に応じて電源に投入エネルギーの調節を指示する。また、酸素原子ラジカル及び酸素分子ラジカルに起因する発光スペクトルの強度比のみを検知しながら、その変化に応じて投入エネルギーの調節を行ってもよい。上記波長について「近辺」というときは、その波長に対して±１０ｎｍの範囲を意味する。

図１に示すように、本実施の形態のプラズマ反応装置１００を構成するケース体１１には、プラズマによる発光を外部から検知するための光透過部１２が形成されている。光透過部１２は、ケース体１１の一部に孔を開け、そこに上記波長帯（検出波長帯）を透過する、石英、耐熱ガラス、耐熱樹脂等がはめ込まれて形成されていることが好ましい。光透過部１２の配置位置は、内部のプラズマによる発光を外部から確認し易い位置であることが好ましい。また、光透過部１２の大きさは、特に限定されず、外部に取り出した光を光検出手段により検知し、その強度変化を確認できる大きさであればよい。

また、ケース体１１は、図１に示すように、排気ガスｇが流入する流入口１４と、単位電極間を通過して処理された排気ガスｇを流出する流出口１５とを有している。ケース体１１の材料としては、特に制限はないが、例えば、優れた導電性を有するとともに、軽量かつ安価であり、熱膨張による変形の少ないフェライト系ステンレス等であることが好ましい。

図１に示すように、光検出手段３１は、ケース体１１の光透過部１２を通じてプラズマによる発光を検知することが可能な位置に配置されている。図２に示すように、光検出手段３１は、グレーティング（反射型回折格子）３２、レンズ３３、第２レンズ３５、及び、２つの受光器３４（３４ａ，３４ｂ）を有し、これらが、金属、樹脂等からなるケース内に収納されている。ケースには、光Ｐを内部に取り入れるための開口部が形成されていることが好ましい。受光器３４は２つに限られず、受光すべき光の波長の数に合わせて適宜その数を選択すればよい。光検出手段３１は、光透過部１２を通じて外部に出てきたプラズマによる発光（光Ｐ）が入射すると、その入射した光Ｐを、第２レンズ３５で集光してグレーティング３２に入射させ、グレーティング３２で分光し、得られた各波長の光Ｐをレンズ３３で集光し、各受光器３４（３４ａ，３４ｂ）で、それぞれの配置位置に適合した特定の波長の光を受光して、各特定の波長の光の強度を検出する。光検出手段３１が、第２レンズ３５を内部に有することは、入射する光Ｐを常時安定して分光、検知することができる点で好ましい。本実施の形態においては、光Ｐがグレーティング３２に入射する前に、第２レンズ３５により集光しているが、光Ｐを受光器３４で十分に受光できる場合には、光検出手段３１は第２レンズを必ずしも有していなくてもよい。また、図３に示す本発明のプラズマ反応装置の他の実施形態のように、光透過部１２に外部レンズ１３がはめ込まれている場合にも、光検出手段３１は第２レンズを必ずしも有していなくてもよい。外部レンズ１３は、上記波長帯（検出波長帯）を透過する、石英、耐熱ガラス、耐熱樹脂等から形成されていることが好ましい。

光検出手段３１により、窒素原子ラジカル、窒素分子ラジカル、酸素原子ラジカル及び酸素分子ラジカルに由来する光を検知する場合には、例えば、受光器３４ａを波長８５０ｎｍ近辺の光を効果的に受光できる位置に配置し、受光器３４ｂを波長３５０ｎｍ近辺の光を効果的に受光できる位置に配置することが好ましい。これにより、受光器３４ａにより酸素原子ラジカル及び酸素分子ラジカルに起因する発光スペクトルを効果的に受光することができ、受光器３４ｂにより、窒素原子ラジカル及び窒素分子ラジカルに起因する発光スペクトルを効果的に受光することができる。この場合、受光器３４としては、Ｓｉ ＰＩＮフォトダイオード、ＧａＡｓ系フォトダイオード、ＧａＮ系フォトダイオード等であって、８５０ｎｍ近辺及び３５０ｎｍ近辺の光を検知できるものが好ましい。また、受光器３４の応答速度は大きな問題とはならないため、大口径のものが好ましい。

レンズ３３の大きさ、屈折率、材質等は特に限定されず、グレーティング３２により分光された光を効果的に受光器３４に集光できればよいが、上記波長帯（検出波長帯）を透過する、石英、耐熱ガラス、耐熱樹脂等から形成されていることが好ましい。また、第２レンズ３５についても特に限定されず、光Ｐをグレーティング３２に効果的に集光できればよいが、上記波長帯（検出波長帯）を透過する、石英、耐熱ガラス、耐熱樹脂等から形成されていることが好ましい。

グレーティング３２としては、石英等の材料の上にフォトエッチング技術を用いてパターニングされたものを使用することが好ましい。また必要であればグレーティング表面に反射膜を設けて反射率を向上させたものを使用することが出来る。

本実施の形態のプラズマ反応装置１００において、制御手段４１は、光検出手段３１で検知した光の強度に応じて、単位電極２に印加される電気エネルギーを制御するものである。検出手段３１から伝送されたスペクトル強度の信号に基づき、投入エネルギーが適切か否かを判断し、その結果に基づき電源２１に投入エネルギーの増減、又は現状維持を指示する。検出手段３１から送信される信号は、アンプにより増幅された後に制御手段４１に伝達されることが好ましい。アンプは、検出手段３１と制御手段４１との間に接続されていてもよいし、制御手段４１に内蔵されていてもよい。

制御手段４１では、例えば、粒子状物質が適切に処理され、投入エネルギー量も適切である場合の、波長８５０ｎｍ近辺のスペクトル強度Ｉ_８５０と、波長３５０ｎｍ近辺のスペクトル強度Ｉ_３５０との比（Ｉ_８５０／Ｉ_３５０）の範囲を基準範囲（基準値）として予め入力しておき、光検出手段３１から伝送される各強度データについて「Ｉ_８５０／Ｉ_３５０」を算出して基準値と比較する。そして、算出した値が基準値より大きい場合には、投入エネルギーが過剰であることを示すため、電源２１に対して投入エネルギーを減少させる指示を出し、算出した値が基準値より小さい場合には、投入エネルギーが過小であることを示すため、電源２１に対して投入エネルギーを増加させる指示を出す。また、算出した値が基準値の範囲内である場合には、プラズマ反応装置が適切な状態で運転されていることを示すため、投入エネルギーを変化させずにその状態を維持する。

このように、仮に、波長８５０ｎｍ近辺のスペクトル強度Ｉ_８５０と、波長３５０ｎｍ近辺のスペクトル強度Ｉ_３５０とを検知してプラズマ発生電極の単位電極に印加される電気エネルギーを制御する場合には、Ｉ_８５０／Ｉ_３５０の基準範囲（基準値）が、使用する受光素子（フォトダイオード）の感度に大きく依存するので、プラズマリアクタの後段で濾紙等で煤を捕集し、煤の処理状態を確認しつつ決定することが望ましい。

制御手段４１としては、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）を使用することもできるが、ＥＣＵとは独立した制御用電子回路を使用することが好ましい。

本実施の形態のプラズマ反応装置１００において、電源２１としては、パルス電圧を印加できる電源であれば特に限定されるものではない電源２１によりパルス電圧を印加するときの投入エネルギーは、一パルス当り１０〜３００ｍＪの範囲で制御することが好ましい。

図３は、本発明のプラズマ反応装置の他の実施形態を示す模式図である。本実施形態のプラズマ反応装置２００は、図３に示すように、ケース体１１の光透過部１２に外部レンズ１３がはめ込まれている。その他の各要素は、上述した本発明の一の実施形態と同様である。このように、本実施形態は、光透過部１２に外部レンズ１３がはめ込まれているため、プラズマによる発光が外部レンズ１３により集光されて、光検出手段３１に入射する。これにより、光検出手段３１は第２レンズを必ずしも備えなくてもよく、光検出手段３１をコンパクトに構成することが可能となる。

本実施の形態のプラズマ反応装置１００において、プラズマ発生電極１は、複数の単位電極２が所定間隔を隔てて階層的に積層されてなるものである。

プラズマ発生電極１を構成する単位電極２は、特に限定されるものではなく、パルス電圧を印加したときに単位電極２間の空間３にプラズマを発生させることができればよい。例えば、板状の誘電体と、誘電体の内部に配設された導電膜とから形成される単位電極を挙げることができる。また、導電膜の両面に誘電体が配設されていてもよいし、導電膜の一方の面にのみ誘電体が配設されていてもよい。対向する単位電極２のそれぞれの導電膜間に誘電体が位置するように単位電極２が積層されていることが好ましい。一対の対向する導電膜のいずれか一方の表面に誘電体が配設されていると、導電膜単独で放電を行う場合と比較して、アーク等の片寄った放電を減少させ、小さな放電を複数の箇所で生じさせることが可能となる。このような複数の小さな放電は、アーク等の放電に比して流れる電流が少ないために、消費電力を削減することができ、さらに、誘電体が存在することにより、単位電極２間に流れる電流が制限されて、温度上昇を伴わない消費エネルギーの少ないノンサーマルプラズマを発生させることができる。

プラズマ発生電極１の隣接する単位電極２間の距離は、０．２〜３ｍｍであることが好ましく、０．５〜１．０ｍｍであることが更に好ましい。

本実施の形態において、単位電極２を上記誘電体と導電膜との構成とした場合に、導電膜の厚さとしては、プラズマ発生電極１の小型化及び、排ガス等を処理する場合に単位電極２，２間を通過させる被処理流体の抵抗を低減させる等の理由から、０．００１〜０．１ｍｍであることが好ましく、さらに、０．００５〜０．０５ｍｍであることが好ましい。

また、本実施形態に用いられる導電膜は、導電性に優れた金属を主成分とすることが好ましく、例えば、導電膜の主成分としては、タングステン、モリブデン、マンガン、クロム、チタン、ジルコニウム、ニッケル、鉄、銀、銅、白金、及びパラジウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属を好適例として挙げることができる。なお、本実施形態において、主成分とは、成分の６０質量％以上を占めるものをいう。

単位電極２において、導電膜は、誘電体に塗工されて配設されたものであることが好ましく、具体的な塗工の方法としては、例えば、印刷、ローラ、スプレー、静電塗装、ディップ、ナイフコータ等を好適例としてあげることができる。このような方法によれば、塗工後の表面の平滑性に優れ、且つ厚さの薄い導電膜を容易に形成することができる。この場合、誘電体としては、板状のセラミック体を使用することが好ましい。

また、単位電極２を構成する誘電体は、誘電率の高い材料を主成分として形成された板状のセラミック体であることが好ましい。その材料としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化珪素、ムライト、コージェライト、チタン−バリウム系酸化物、マグネシウム−カルシウム−チタン系酸化物、バリウム−チタン−亜鉛系酸化物、窒化珪素、窒化アルミニウム等を好適に用いることができる。これらの材料の中から、ＰＭの反応に適したプラズマを発生させるのに適した材料を適宜選択して誘電体を形成することが好ましいまた、耐熱衝撃性にも優れた材料を主成分とすることによって、プラズマ発生電極を高温条件下においても運用することが可能となる。

例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）にガラス成分を添加した低温焼成基板材料（ＬＴＣＣ）に導体として銅メタライズを用いることができる。銅メタライズを用いるため、抵抗が低く、放電効率の高い電極が造られるため、電極の大きさを小さくできる。そして、熱応力を回避した設計が可能となり、強度が低い問題が解消される。また、チタン酸バリウム、マグネシウム−カルシウム−チタン系酸化物、バリウム−チタン−亜鉛系酸化物等の誘電率の高い材料で電極を造る場合、放電効率が高いため、電極の大きさを小さくすることができる。そのため、熱膨脹が高いことによる熱応力の発生を小さくするような、構造体設計が可能である。

また、誘電体３の厚さについては、特に限定されることはないが、０．１〜３ｍｍであることが好ましい。誘電体３の厚さが、０．１ｍｍ未満であると、隣接する一対の単位電極２間の電気絶縁性を確保することができないことがある。また、誘電体の厚さが３ｍｍを超えると、排気ガス浄化装置としたときに省スペース化の妨げになるとともに、電極間距離が長くなることによる負荷電圧の増大につながり効率が低下することがある。

以下、本発明のプラズマ反応装置の一の実施形態の製造方法について具体的に説明する。

プラズマ反応装置を構成するプラズマ発生電極を作成する。まず、板状のセラミック体となるセラミックグリーンシートを成形する。例えば、アルミナ、ムライト、コージェライト、ムライト、窒化珪素、窒化アルミニウム、セラミックガラス、及びガラス群から選ばれる少なくとも一種の材料に、焼結助剤や、ブチラール系樹脂やセルロース系樹脂等のバインダ、ＤＯＰやＤＢＰ等の可塑剤、トルエンやブタジエン等の有機溶媒等を加え、アルミナ製ポット及びアルミナ玉石を用いて十分に混合してグリーンシート製作用のスラリーを作製する。また、これらの材料を、モノボールによりボールミル混合して作製してもよい。

次に、得られた各グリーンシート製作用のスラリーを、減圧下で撹拌して脱泡し、さらに所定の粘度となるように調製する。このように調製したそれぞれのグリーンシート製作用のスラリーをドクターブレード法等のテープ成形法によってテープ状に成形して複数種類の未焼成セラミック体を形成する。

一方、得られた未焼成セラミック体の一方の表面に配設する導電膜を形成するための導体ペーストを調製する。この導体ペーストは、例えば、銀粉末にバインダ及びテルピネオール等の溶剤を加え、トリロールミルを用いて十分に混錬して調製することができる。

このようにして形成した導体ペーストを、一の未焼成セラミック体の表面にスクリーン印刷等を用いて印刷して、所定の形状の導電膜を形成し、導電膜配設未焼成セラミック体を作製する。このとき、導電膜をセラミック体で挟持して単位電極を形成した後に、単位電極の外部から導電膜に電気を供給することができるように、導電膜が未焼成セラミック体の外周部にまで延設するように印刷することが好ましい。

次に、導電膜配設未焼成セラミック体と、他の未焼成セラミック体とを、印刷した導電膜を覆うようにして積層する。未焼成セラミック体を積層する際には、温度１００℃、圧力１０ＭＰａで押圧しながら積層することが好ましい。次に、導電膜を挟持した状態で積層した未焼成セラミック体を焼成して、板状のセラミック体と、導電膜とを有してなる単位電極を形成する。

次に、形成された複数の単位電極を積層する。このとき、各単位電極間に所定の間隔を開けるために、上記セラミック体と同様の原料により四角柱状のセラミック棒を形成し、各単位電極の間に挟むようにする。このときの、セラミック棒の厚さが各単位電極間の距離となる。セラミック棒を各単位電極の間に挟むときには、それぞれが略平行になるようにし、排ガス等を処理するときのガスの流路を確保する。セラミック棒は四角柱状である必要はなく、円柱状、多角柱状、その他の柱状であってもよい。また、上記セラミック体の一の面に複数の突条を形成し、この突条を挟んで単位電極を挟むことにより空間を形成してもよい。さらに、セラミック体に凹凸を形成し、それを重ね合わせることにより空間を形成してもよい。このように、複数の単位電極を、上記セラミック棒を介して階層的に積層することにより、本実施形態のプラズマ反応装置を構成するプラズマ発生電極を得ることができる。

本実施形態のプラズマ反応装置を構成するケース体は、例えば、フェライト系ステンレス等を、図１に示すガスの流入口１４と流出口１５とを両端部に有する筒状に形成して得ることができる。そして、内部のプラズマによる発光を検知し易い位置に光透過部１２を形成する。ケース体１１は、内部にプラズマ発生電極を入れるため、２以上に分割できるように形成することが好ましい。光透過部１２は、検出波長帯を透過する、石英、耐熱ガラス、耐熱樹脂等から形成することが好ましい。

光検出手段は、図２に示すように、グレーティング（反射型回折格子）３２、レンズ３３、第２レンズ３５、及び、２つの受光器３４（３４ａ，３４ｂ）を、金属、樹脂等からなるケース内に収納して作製することが好ましい。光検出手段３１の組み立てにおいては、光透過部１２を通じてケース体から外部に出てきたプラズマによる発光（光Ｐ）が入射したときに、その入射した光Ｐを、第２レンズ３５で集光してグレーティング３２に入射させ、グレーティング３２で分光し、得られた各波長の光Ｐをレンズ３３で集光し、各受光器３４（３４ａ，３４ｂ）で、それぞれの配置位置に適合した特定の波長の光を受光できるように、各要素をケース内に配置することが好ましい。レンズ３３及び第２レンズ３５は、検出波長帯を透過する、石英、耐熱ガラス、耐熱樹脂等から形成することが好ましい。

制御手段としては、ＥＣＵとは独立した制御用電子回路等を使用することが好ましい。

電源としては、ＳＩサイリスタを用いたパルス電源等を使用することが好ましい。

上記プラズマ発生電極を上記ケース体内に装着し、所定の電源、制御手段、及び光検出手段を接続し、光検出手段を、ケース体の光透過部を通じてプラズマによる発光を検知し易い位置に配置することにより、図１に示すように、本実施形態のプラズマ反応装置１００とすることができる。

以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
図１に示すような構成で、単位電極の枚数を増やしたプラズマ反応装置を製造し、ＰＭを含有する排気ガスの処理を行い、ＰＭ除去率９８％を達成するための電力を測定した。

本実施例のプラズマ反応装置に用いられるプラズマ発生電極は、以下のようにして作製した。まず、厚さ０．６ｍｍの未焼成のグリーンシートの表面に、ペースト状のタングステンを厚さ１０μｍとなるようにスクリーン印刷して導電膜を配設し、導電膜を覆うように、更に厚さ０．６ｍｍの未焼成のグリーンシートを重ねて単位電極を作製した。そして、このような単位電極を７０枚作製し、単位電極を７０段積み重ねたプラズマ発生電極を作製した。単位電極間の距離は０．４ｍｍとした。得られたプラズマ発生電極を、耐熱マットで外周を保持した後、流入口、流出口及び光透過部が形成されたＳＵＳ４３０製のケース体に納めた。そして、得られたケース体に入ったプラズマ発生電極にパルス電源、制御手段及び光検出手段を接続してプラズマ反応装置を作製した。

パルス電源としてはＳＩサイリスタを用いたものを使用し、７０段の単位電極に、交互にパルス電源と接地側とを接続した。制御手段としては、制御用電子回路を使用した。また、光検出手段は、図２に示すように、グレーティング（反射型回折格子）３２、レンズ３３、第２レンズ３５、及び、２つの受光器３４（３４ａ，３４ｂ）を、金属からなるケース内に収納して作製した。ケースには、光Ｐを内部に取り入れるための開口部を形成した。受光器としては、波長３５０ｎｍ近辺及び８５０ｎｍ近辺の光を検知可能なＳｉ ＰＩＮフォトダイオードを使用し、一の受光器を８５０ｎｍ近辺の光を効果的に受光できる位置に配置し、他の受光器を３５０ｎｍ近辺の光を効果的に受光できる位置に配置した。

得られたプラズマ反応装置を、ディーゼルエンジンに接続して、ＮＥＤＣ（ＮＥＷ ＥＵＲＯＰＥＡＮ ＤＲＩＶＩＮＧ ＣＹＣＬＥ）モードにて粒子状物質の処理を行った。処理中は、２つの受光器で検出されたそれぞれの光の強度（Ｉ_８５０、Ｉ_３５０）の値が、常時、基準範囲に入るようにプラズマ反応装置を動作させた。９８％の粒子状物質の除去に必要な平均の電力（Ｗ）を測定した。結果を表１に示す。

（比較例１）
光検出手段及び制御手段を使用しなかった以外は実施例１と同様にしてプラズマ反応装置を作製した。

得られたプラズマ反応装置を、ディーゼルエンジンに接続して、ＮＥＤＣ（ＮＥＷ ＥＵＲＯＰＥＡＮ ＤＲＩＶＩＮＧ ＣＹＣＬＥ）モードにて粒子状物質の処理を行った。比較例１のプラズマ反応装置では、あらかじめ、エンジン回転数とトルクに応じた粒子状物質の量を確認しておき、試験中のエンジン回転数とトルクに応じて、対応する粒子状物質の量を処理するのに必要な電気エネルギーがプラズマ発生電極に印加されるようにした。９８％の粒子状物質の除去に必要な平均の電力（Ｗ）を測定した。結果を表１に示す。

表１より、実施例１のプラズマ反応装置は、プラズマによる発光を検知しながら投入電力を制御したため、比較例１のプラズマ反応装置と比較して、電力が少なくてすむことがわかる。

ディーゼルエンジン等の内燃機関から発生する粒子状物質の除去に利用することができる。特に、過剰にエネルギーを投入することなく、排気ガス中の粒子状物質を効果的に処理することが可能なプラズマ反応装置として好適に利用することができる。

本発明のプラズマ反応装置の一の実施形態を示す模式図である。 本発明のプラズマ反応装置の一の実施形態を構成する光検出装置を示す模式図である。 本発明のプラズマ反応装置の他の実施形態を示す模式図である。

符号の説明

１：プラズマ発生電極、２：単位電極、３：空間、１１：ケース体、１２：光透過部、１３：外部レンズ、１４：流入口、１５：流出口、２１：電源、３１：光検出手段、３２：グレーティング、３３：レンズ、３４，３４ａ，３４ｂ：受光器、３５：第２レンズ、４１：制御手段、１００，２００：プラズマ反応装置、Ｐ：光、ｇ：排気ガス。

Claims (5)

1. 複数の単位電極が所定間隔を隔てて階層的に積層されてなるプラズマ発生電極と、前記プラズマ発生電極を内部に配設するケース体と、前記単位電極に電圧を印加する電源とを備え、前記電源から前記単位電極間にパルス電圧を印加することによって前記単位電極間に形成される空間にプラズマを発生させ、前記空間内に導入された排ガスを反応処理することが可能なプラズマ反応装置であって、
   前記ケース体に、前記プラズマによる発光を外部から検知するための光透過部が形成され、
   前記ケース体の光透過部を通じて、前記プラズマによる発光を検知することが可能な光検出手段と、
   前記光検出手段で検知した光の強度に応じて、前記単位電極に印加される電気エネルギーを制御する制御手段とを更に備えたプラズマ反応装置。
2. 前記光検出手段が、前記プラズマによる発光の中の、窒素原子ラジカル、窒素分子ラジカル、酸素原子ラジカル及び酸素分子ラジカルに由来する光を検知する請求項１に記載のプラズマ反応装置。
3. 前記光検出手段が、グレーティング、レンズ、及び受光器を有し、
   入射した光を、グレーティングで分光し、得られた各波長の光をレンズで集光し、前記受光器で、特定の波長の光を受光して、その強度を検出するように形成されたものである請求項１又は２に記載のプラズマ反応装置。
4. 前記光検出手段が、入射した光を集光してグレーティングに入射させる第２レンズを更に有する請求項３に記載のプラズマ反応装置。
5. 前記ケース体が、前記光透過部に外部レンズを有し、前記プラズマによる発光を、前記外部レンズにより集光して前記光検出手段に入射させる請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ反応装置。

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