JP4836468B2 - 電気集じん装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばトンネル内の空気などを浄化するのに好適な電気集じん装置に関する。

従来から知られている通り、自動車道トンネル内の空気は、自動車から排出される排気ガス中の有害ガス、煤煙、自動車の走行に伴って生じるタイヤや道路アスファルトの磨耗粉塵などのサブミクロンオーダの浮遊微粒子で汚染されている。そこで、この汚染空気中の煤煙・微粒子を除去するために、帯電部および集じん部によって構成された二段式電気集じん装置を用いた空気浄化設備が実用化されている。
図１１は、一般的に知られている２段式電気集じん装置の構成を示す。本図に示す電気集じん装置１００は、帯電部１と集じん部２から構成されている。帯電部１は、線−平板電極構造であり、1対の平板からなる接地電極３ａ，３ｂと、線状の高電圧電極４を有している。そして、電極間には直流高電圧を印加し、コロナ放電を発生させている。一方、集じん部２は平行平板電極構造であり、1対の平行平板からなる接地電極５ａ，５ｂと、1枚の平板からなる高電圧電極６を有している。この平行平板電極間に直流高電圧を印加することにより、静電界が形成される。これらの構成をもつ２段式電気集じん装置において、粒子は帯電部１において単極性に帯電し、集じん部２の静電界によって、接地電極５ａ，５ｂ上に捕集される。

このような従来型の二段式電気集じん装置は、ナノメータ粒子に対しても集じん率が高く、また大流量処理に適している。
しかし、自動車道路トンネル内のように、浮遊粒子の主成分が、電気抵抗の低いカーボンなどである場合、集じん電極上に捕集された粒子が、再び飛散し、ガス流と共に電気集じん装置から排出される場合がある。この現象は再飛散現象と呼ばれている。再飛散現象は、大粒径粒子の集じん率を低下させるため、改善すべき大きな課題となっている。
再飛散現象のメカニズムを図１２に基づいて説明する。なお、図１２の説明においては、粒子は帯電部において負に単極帯電されるものとする。
まず、図１２の（Ａ）に示すように、帯電部内で負極性に帯電した粒子９は、集じん部接地電極８上に捕集される。接地電極８上に集じんされた粒子９は、直ちに電荷を失い接地極と同極性となる。このため、接地電極８上の集じん粒子９の近傍は電界が強くなる。さらに（Ｂ）に示すように、空間中の負極性帯電粒子９が接地電極８上に集じんされるとき、接地電極８上の粒子１０と凝集するとともに、電界によるクーロン力によって、負極性の高電圧電極７方向へ数珠状凝集粒子１０を形成する。接地電極８上の数珠状凝集粒子１０は凝集肥大化するに従い（図１２（Ｃ）参照）、流体抗力やクーロン力などの剥離力が強くなり、これらの力が接地電極８と凝集粒子１０間の付着力より大きくなったとき再飛散する。

かかる再飛散現象を極めて有効に防止する方法として、矩形波交流電気集じん装置が提案されている。（特許文献１）
図１３は、矩形波交流電気集じん装置の概略構成を示す。本装置は、帯電部４０と集じん部５０から構成されている。帯電部４０は線−平板電極構造であり、１対の平板からなる接地電極２１，２２と、線状の高電圧電極２３を有する。この線−平板電極間に高電圧電源２０から直流高電圧を印加し、帯電部４０にコロナ放電を発生させる。直流高電圧の極性は正または負のいずれでも良く、またパルス電圧でもよい。
集じん部５０は平行平板電極構造であり、１対の平板からなる接地電極３１，３２と、１枚の平板からなる高電圧電極３３とを有する。この接地−高電圧電極間には、矩形波高電圧電源３０から矩形波高電圧を印加する。なお、矩形波高電圧電源３０の代わりに正弦波交流からなる交流高電圧電源を用いても良い。この種の矩形波高電圧電源の電圧範囲は、電極間１ｍｍあたり３ｋＶ以下が適当であり、一般には１ｍｍあたり約０．９ｋｖ程度である。また、印加電圧の周波数は数ｋＨｚ以下の範囲とされており、周波数の下限値は限定されないが、数Ｈｚ〜０．１Ｈｚ程度とするのが良いとされている。

ここで、集じん部に矩形波高電圧を印加した場合の再飛散防止メカニズムを図１４、図１５に基づいて説明する。なお、帯電部４０（図１３参照）には負の直流高電圧が印加され、粒子はマイナスに帯電されているものとする。
図１５は、集じん部に印加される矩形波高電圧の波形を示している。図１５においては、集じん部に印加される電圧を3つの区間に分けて考えられている。ａの区間は、集じん部に正の高電圧が印加されている領域である。ｂの区間は、集じん部への印加電圧が、正から負に変化した瞬間である。ｃの区間は、集じん部に負の高電圧が印加されている領域である。
矩形波高電圧が領域ａのとき、帯電部で負に帯電した粒子は、図１４（Ａ）に示すように正極性の高電圧集じん電極板上に捕集される。捕集された粒子は、直ちに負から正に帯電し、数珠状の極板凝集粒子を形成する。次に、矩形波高電圧が領域ｂになると、電圧の極性が正から負に急激に変化するため、集じん電極板の極性も正から負に急激に変化し、数珠状の極板凝集粒子は、図１４（Ｂ）に示すように静電界によって集じん電極板方向へ力を受け、矩形波高電圧が領域ｃになると、図１４（Ｃ）に示すように球状の凝集粒子へと変化すると言われている。球状の凝集粒子に変化することによって、剥離力として働く風力や静電気が小さくなり、再飛散は起こらなくなる。
特開２００４−１２１９８７号公報

しかし、従来の矩形波電圧は、正極性高電圧および負極性高電圧をＧＮＤレベルに対して対称に出力されているため、高電圧発生装置の構造が複雑になるという課題があった。
すなわち、正極性高電圧および負極性高電圧をＧＮＤレベルに対して対称に出力するためには、高電圧発生装置内に、正極性直流高電圧発生回路及び負極性高電圧発生回路を各々設けるようにしなければならないため、構造が複雑にならざるを得なかった。
また、帯電部に正負対称の矩形波高電圧を印加すると、正極性および負極性コロナ放電の放電特性が異なるため、集じん性能が低下するという課題もあった。すなわち、同一構造の電気集じん装置の帯電部に高電圧を印加する場合、印加電圧の絶対値が同一であっても、正極性高電圧を印加した時よりも負極性高電圧を印加した時の方が放電電流は大きくなる。このため、負極性コロナ放電時の方が、粒子の帯電量が大きくなり集じん率は高くなる。コロナ放電の電圧特性に対する極性依存性を図１６の特性図に示す。図１６は、図１７に示す帯電部の実験装置で実験を行った特性図である。図１７の帯電部の実験装置は、タングステン製の線電極と、アルミニウム製の平板電極が交互に並んだ構造となっており、これらの電極間に高電圧を印加した。図１６では、縦軸にコロナ放電電流Ｉｄ、横軸に印加電圧Ｖｐが目盛られており、正極性コロナ放電時に比べて、負極性コロナ放電電流が大きいことが分かる。

上記課題を解決するために、本発明によれば、空気中に浮遊する粒子に帯電部にて電荷を与え、該電荷が与えられた粒子に集じん部で電界を加えることによって、前記浮遊粒子による数珠状の板極凝集粒子を球状の凝集粒子に変化させて集じんを行う電気集じん装置において、集じん部の電極に高電圧を印加する手段として、正極性直流高電圧発生回路の容量と負極性直流高電圧発生回路の容量とを異ならせて正負非対称の任意波形の高電圧を発生する高電圧発生手段を用い、正負非対称の任意波形の高電圧を、負側または正側の割合が多くなるようにするとともに、正極性および負極性高電圧の出力電圧値および出力時間が異なる非対称矩形波高電圧とする。
また、帯電部の高電圧発生手段は、正極性直流高電圧発生回路の容量と負極性直流高電圧発生回路の容量とを異ならせて負側または正側の割合が多い正負非対称であって、正極性および負極性高電圧の出力電圧値および出力時間が異なる非対称矩形波高電圧を発生する高電圧発生手段を用いる構成とする。
帯電部の高電圧発生手段として、負側または正側の割合が多い正負非対称の高電圧を印加する高電圧発生手段を用いる場合には、帯電部および集じん部に対して共通に設ける構成とすることができる。

さらに、放電電極と集じん電極との空間で空気中に浮遊する粒子の荷電と集じんを同時に行ない、前記浮遊粒子による数珠状の板極凝集粒子を球状の凝集粒子に変化させて集じんする一段式電気集じん装置において、放電電極と集じん電極とに高電圧を印加する手段として、正極性直流高電圧発生回路の容量と負極性直流高電圧発生回路の容量とを異ならせて正負非対称の任意波形であって、正極性および負極性高電圧の出力電圧値および出力時間が異なる非対称矩形波高電圧を発生する高電圧発生手段を用い、正負非対称の任意波形の高電圧を、負側または正側の割合が多くなるようにすると良い。
さらに、上記の電気集じん装置において、正負非対称の任意波形の高電圧は、正極性および負極性高電圧の出力電圧値および出力時間が異なる非対称矩形波高電圧である構成とする。

さらに、上記の電気集じん装置において、正負非対称の任意波形の高電圧は、その周波数が０．０１〜１０ＨZである構成とする。

本発明によれば、電気集じん装置の集じん部の高電圧電源として、正負非対称の任意波形の高電圧を発生させる電源を用いることにより、高電圧発生装置をシンプルな構成にすることができる。また、帯電部にも任意波形の高電圧を用いることにより、帯電部の高電圧発生装置をシンプルな構成にすることができ、特に負側の割合が多い高電圧として負極性コロナ放電の割合を増加させることで、高い集じん性能を維持したまま再飛散を効果的に抑制することができる。

図１は、本発明による交流電界形電気集じん装置の構成図であり、図１１に示した従来の電気集じん装置と同じ構成要素には同じ符号を付与している。図１に示す本発明による電気集じん装置が、図１１に示す従来の電気集じん装置と異なる点は、集じん部５０の高電圧電源として、負側の割合が多い正負非対称の任意波形の高電圧を発生させることのできる高電圧電源６０が用いられている点である。
この高電圧電源６０は、正極性直流高電圧発生回路容量を小さく、または正極性直流高電圧発生回路を削除した構成とすることができる。このため、正極性高電圧および負極性高電圧をＧＮＤレベルに対して対称に出力する従来の高電圧電源と比較して、構成を簡単にすることができる。
帯電部は、図１１と同様に線−平板電極構造であり、1対の平板からなる接地電極２１、２２と、線状の高圧電極２３を有する。集じん部５０も図１１と同様に、1対の平板からなる接地電極３１、３２と1枚の平板からなる高電圧電極３３とを有する。

図２は、図１に記載されている高電圧電源６０から発生される任意波形高電圧の一例の説明図である。本発明の電気集じん装置では、図２に示すように正極性時の電圧値Ｖ＋と、負極性時の電圧値Ｖ−は任意に設定することができ、電圧値Ｖ＋とＶ−の絶対値は等しくなくても良く、Ｖ−の絶対値をＶ＋の絶対値よりも大きくすることにより、高電圧電源の構成を簡略化することができる。また、図２に示す電圧波形の時間軸に関しては、ｔ0〜ｔ6は任意に設定することができる。特に、ｔ2−ｔ1は、ｔ5−ｔ4と等しくしなくても良い。さらに、ｔ0〜ｔ1、ｔ2〜ｔ4、ｔ5〜ｔ6における電圧の時間的変化ｄＶ／ｄｔは、直線的、指数関数的でも良いし、任意である。
以下、実験結果を用いて、本発明の効果について説明する。
図３は従来において用いられている正負対称の矩形波交流高電圧の波形図であり、図４は本発明において用いられる任意波形の高電圧の波形図であり、正極側の電圧をゼロとした負極性台形波である。なお、図３、図４においては、電圧の立上り、立下りをｄＶ／ｄｔ＝５００Ｖ／ｍｓｅｃとしている。

図３の正負対称の矩形波交流高電圧を印加した場合の集じん率の時間変化を図５、図４の任意波形の高電圧４を印加した場合の集じん率の時間変化を図６に示す。なお、集じん率は、流入側の粒子濃度に対する流出側の粒子濃度の割合である。
図５、図６の実験結果は、帯電部と集じん部の電極長さの和を８１６ｍｍ、送風機の風速を９ｍ／ｓｅｃ、帯電部の印加電圧をＤＣ−１１ｋＶ、帯電部の電流を２．４８ｍＡ，集じん部の印加電圧を―８ｋＶ、温度２７℃、湿球温度２３．５℃の条件で実験したものである。
正負対称の矩形波交流高電圧の実験結果である図５では、粒径０．３〜１μｍの粒子は、集じん装置稼動後の集じん率は一定を示している。しかし、粒径１〜５μｍの粒子は、稼動時間の経過に従い、集じん率は徐々に低下しているのがわかる。この原因は、再飛散現象である。

これに対して、本発明による任意波形の高電圧を用いた場合には、図６に示すように、粒径１〜５μｍの粒子でも集じん装置稼動後の集じん率は一定を示している。これは、次の理由による。すなわち、図４に示す波形の印加電圧は、周期的に印加電圧をＧＮＤレベルに低下させており、この時、捕集粒子は接地電極方向に引き倒される。このため、捕集粒子の形状が変化し、粒径が大きくなる。よって、捕集粒子と電極との接触点が多くなり付着力が強くなるためである。また、捕集粒子の形状が変化し、ガス流の影響を受けにくく剥離しにくくなるためである。
図７は集じん部の高電圧電源として矩形波電源、任意波形電源、直流電源を用いた場合の集じん率の粒径特性を示したものであり、縦軸に集じん率、横軸に粒径が目盛られている。図７に示すように、直流電源では、粒径が大きいほど集じん率は低下するが、任意波形電源では、何れの粒径においても高い集じん率を維持している。また、任意波形電源の集じん率は、矩形波電源の場合とほぼ同等である。

以上の説明においては、集じん部の高電圧電源として任意波形電源を用いた場合について説明したが、任意波形電源は集じん部の高電圧電源だけでなく、図８に示すように帯電部の高電圧電源として用いても良いことは勿論である。図８においては、図１と同じ構成要件は同じ符号で示されているが、図１と相違するのは、図１の高電圧電源２０の代わりに任意波形の高電圧電源７０が用いられている点である。
また、図８のように帯電部の高電圧電源として任意波形電源を用いる場合には、図９に示すように帯電部と集じん部に共通の高電圧電源８０を用いることも可能である。
さらに、放電電極と集じん電極との空間でダストの荷電と集じんを同時に行う一段式電気集じん装置の場合にも、図１０に示すように任意波形電源７０を用いることができる。
なお、以上の実施の形態の説明では、正負非対称の任意波形の高電圧として、負側の割合が多い高電圧の例について説明したが、正側の割合が多い高電圧を用いても、極性が変わるだけであり、再飛散を効果的に抑制することができると共に、負極性直流高電圧発生回路容量を小さくできる、または負極性直流高電圧発生回路を削除することができる。このため、正極性高電圧および負極性高電圧をＧＮＤレベルに対して対称に出力する従来の高電圧電源と比較して、構成を簡単にすることができるという効果を達成することができる。

本発明による交流電界形電気集じん装置の構成図 任意波形高電圧の一例の説明図 従来において用いられている正負対称の矩形波交流高電圧の波形図、 本発明において用いられる任意波形の高電圧の波形図 正負対称の矩形波交流高電圧を印加した場合の集じん率の時間変化を示す図、 任意波形の高電圧を印加した場合の集じん率の時間変化を示す図、 矩形波電源、任意波形電源、直流電源を用いた場合の集じん率の粒径特性図 本発明による交流電界形電気集じん装置の他の実施例を示す構成図 本発明による交流電界形電気集じん装置の他の実施例を示す構成図 本発明による交流電界形電気集じん装置の他の実施例を示す構成図 一般的に知られている２段式電気集じん装置の構成図 再飛散現象のメカニズムの説明図 矩形波交流電気集じん装置の概略構成図 集じん部に矩形波高電圧を印加した場合の再飛散防止メカニズムの説明図 集じん部に印加される矩形波高電圧の波形図 コロナ放電の電圧特性に対する極性依存性の特性図 図１６の特性を得るための実験装置の構成図

符号の説明

１、４０・・・帯電部
２、５０・・・集じん部
３ａ，３ｂ，５ａ，５ｂ，８，２１，２２，３１，３２・・・接地電極
４、６、７，２３、３３・・・高電圧電極
９・・・粒子
３０・・・矩形波高電圧電源
６０、７０・・・任意波形の高電圧電源

Claims (8)

1. 空気中に浮遊する粒子に帯電部にて電荷を与え、該電荷が与えられた粒子に集じん部で電界を加えることによって、前記浮遊粒子による数珠状の板極凝集粒子を球状の凝集粒子に変化させて集じんを行う電気集じん装置において、
   前記集じん部の電極に高電圧を印加する手段として、正極性直流高電圧発生回路の容量を負極性直流高電圧発生回路の容量よりも小さくして負側の割合が多い正負非対称の任意波形の高電圧を発生する第１の高電圧発生手段を用い、
   前記正負非対称の任意波形の高電圧は、正極性および負極性高電圧の出力電圧値および出力時間が異なる非対称矩形波高電圧であることを特徴とする電気集じん装置。
2. 空気中に浮遊する粒子に帯電部にて電荷を与え、該電荷が与えられた粒子に集じん部で電界を加えることによって、前記浮遊粒子による数珠状の板極凝集粒子を球状の凝集粒子に変化させて集じんを行う電気集じん装置において、
   前記集じん部の電極に高電圧を印加する手段として、負極性直流高電圧発生回路の容量を正極性直流高電圧発生回路の容量よりも小さくして正側の割合が多い正負非対称の任意波形の高電圧を発生する第２の高電圧発生手段を用い、
   前記正負非対称の任意波形の高電圧は、正極性および負極性高電圧の出力電圧値および出力時間が異なる非対称矩形波高電圧であることを特徴とする電気集じん装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の電気集じん装置において、
   前記帯電部の電極に高電圧を印加する手段として、正極性直流高電圧発生回路の容量を負極性直流高電圧発生回路の容量よりも小さくして負側の割合が多い正負非対称の任意波形の高電圧を発生する第３の高電圧発生手段を用い、
   前記正負非対称の任意波形の高電圧は、正極性および負極性高電圧の出力電圧値および出力時間が異なる非対称矩形波高電圧であることを特徴とする電気集じん装置。
4. 請求項１または請求項２に記載の電気集じん装置において、
   前記帯電部の電極に高電圧を印加する手段として、負極性直流高電圧発生回路の容量を正極性直流高電圧発生回路の容量よりも小さくして正側の割合が多い正負非対称の任意波形の高電圧を発生する第４の高電圧発生手段を用い、
   前記正負非対称の任意波形の高電圧は、正極性および負極性高電圧の出力電圧値および出力時間が異なる非対称矩形波高電圧であることを特徴とする電気集じん装置。
5. 請求項１または請求項２に記載の電気集じん装置において、
   前記帯電部の高電圧発生手段として、前記集じん部の高電圧発生手段を共通に用いることを特徴とする電気集じん装置。
6. 放電電極と集じん電極との空間で空気中に浮遊する粒子の荷電と集じんを同時に行ない、前記浮遊粒子による数珠状の板極凝集粒子を球状の凝集粒子に変化させて集じんする一段式電気集じん装置において、
   前記放電電極と集じん電極とに高電圧を印加する手段として、正極性直流高電圧発生回路の容量を負極性直流高電圧発生回路の容量よりも小さくして負側の割合が多い正負非対称の任意波形の高電圧を発生する第５の高電圧発生手段を用い、
   前記正負非対称の任意波形の高電圧は、正極性および負極性高電圧の出力電圧値および出力時間が異なる非対称矩形波高電圧であることを特徴とする電気集じん装置。
7. 放電電極と集じん電極との空間で空気中に浮遊する粒子の荷電と集じんを同時に行ない、前記浮遊粒子による数珠状の板極凝集粒子を球状の凝集粒子に変化させて集じんする一段式電気集じん装置において、
   前記放電電極と集じん電極とに高電圧を印加する手段として、負極性直流高電圧発生回路の容量を正極性直流高電圧発生回路の容量よりも小さくして正側の割合が多い正負非対称の任意波形の高電圧を発生する第６の高電圧発生手段を用い、
   前記正負非対称の任意波形の高電圧は、正極性および負極性高電圧の出力電圧値および 出力時間が異なる非対称矩形波高電圧であることを特徴とする電気集じん装置。
8. 請求項１ないし請求項７の何れか１項に記載の電気集じん装置において、
   前記正負非対称の任意波形の高電圧は、その周波数が０．０１〜１０Ｈｚであることを特徴とする電気集じん装置。