JP5743556B2 - プラズマ反応器 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ発生用電極を有するプラズマ反応器に関し、特には、工場、プラント、内燃機関などから排出される排煙に含まれて環境に悪影響を及ぼす成分を除去するための装置などに適用されるものに関する。

従来、例えば自動車のエンジン特にはディーゼルエンジンから排出される排気ガスに含まれるＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）、そして粒子状物質（Ｐｅｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ：ＰＭ）の排出量を低減するために、触媒及びＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）が用いられている。しかしながら、ＤＰＦの場合、粒子状物質を捕集することにより内部の粒子状物質が増加すると、排気ガスの流通が悪くなり、ディーゼルエンジンの排気抵抗が増加し、その結果、燃費と出力が低下することになる。

このような状況に鑑みて、近年では捕集した粒子状物質を酸化させてガス化（ＣＯ₂）にして除去することや、排気ガスを改質して粒子状物質などの排出量を低減することが試みられている。このような試みの一つとして、触媒を含む排出ガス浄化装置において、プラズマ反応器を用いるものが知られている。例えば、特許文献１に記載したものは、波板状の電極に複数の貫通孔を設けることにより当該貫通孔によって、処理される気体に含まれる粒子状物質を貫通孔に付着させ、燃焼させることにより、効率よく粒子状物質を気体から除去することを可能にしたものである。また特許文献２に記載したものは、排気ガス中の粒子状物質量に応じて、電極へ印加する印加電圧及び／又は印加電圧の周波数を変化させることにより、粒子状物質を効率良く酸化させつつ放電電力の消費を抑制することを可能にしたものである。

しかしながら、上述の特許文献１及び特許文献２に記載のものでも粒子状物質が貫通孔をそのまま通過する場合がある。このようなことから、これまでのプラズマ反応器によって粒子状物質を十分に除去するためには、プラズマ反応器自体を大型化させるということが考えられるが、そうなると、大型化による重量の増加を招来してしまう。加えてプラズマ反応器の大型化は、コストの増加も招来してしまうことになる。

よって、上記のようなプラズマ反応器の大型化を回避するためには、より排気ガスの圧力損失を抑えつつ粒子状物質の捕集性能が向上したものが求められているのが現状である。

ＷＯ２００９／０１９９９８号公報 特開２０１０−２１６３５４号公報

本発明は、上述した点に着目したものであり、粒子状物質の捕集効率をより向上させ得るプラズマ反応器を提供することを目的としたものである。

本発明は、このような目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。

すなわち本発明に係るプラズマ反応器は、処理される気体の流れ方向に延出させて設けられた複数のプラズマ発生用の電極と、この複数の電極間に介在させて設けられた誘電体と、気体の流れ方向に気流に対面する方向に磁界を発生させ得る前記誘電体に一体に形成された磁界発生手段とを具備するものである。具体的には前記磁界発生手段は、前記誘電体を構成する誘電体本体に内蔵された永久磁石であることを特徴とする。

ここで本発明は、イオンと電子が磁場に沿って移動するという点と、プラズマ発生用電極内では粒子状物質の表面はプラズマにより表面が荷電されているという点に着目することによりなされたものである。

このようなものであれば、プラズマにより表面が荷電された粒子状物質に対して気体の流れ方向とは対面、換言すれば交差する方向に磁界を掛けることで、表面が荷電された粒子状物質は流れ方向とは交差する方向に移動しようとするため、粒子状物質はプラズマ反応器内で、磁場が存在しない状態に比べてより長い時間保持される。つまり粒子状物質は電極によりさらに捕集され易い状態となる。その結果、プラズマ反応器の粒子状物質の捕集性能が向上するので、同じ捕集性能を得るためのプラズマ反応器の容量を小さく抑えることが可能となる。すなわち斯かる構成により、さらなる軽量化、低コスト化を実現したプラズマ反応器を提供することができる。

本発明によれば、プラズマ反応器の粒子状物質捕集性能が向上するので、同じ捕集性能を得るために容量を小さく抑えることを可能にしたプラズマ反応器を提供することが可能となる。

本発明の参考例に係るプラズマ反応器の模式的な断面図。 同参考例に係るプラズマ反応器を構成する電極の概略図。 同構成説明図。 本発明の参考例に係るプラズマ反応器の模式的な断面図。 本発明の実施形態に係るプラズマ反応器の模式的な断面図。

以下、本発明の参考例について図面を参照して説明する。

本参考例に係るプラズマ反応器１は、例えばディーゼルエンジンから排出される粒子状物質ＰＭを含む排気ガスを処理するためのものであり、その主体となっているのが、後に詳述する放電電極となるプラズマ発生用の電極である磁性電極（以下、磁性電極と略称する）２ｇと、平板形状の誘電体３である。

このプラズマ反応器１は、図１に示すように、具体的には、図示しないエンジンの排気パイプの途中に介在させて接続される、例えばステンレス鋼を用いて形成されているものであり、排気パイプに接続される一対の円管６と、磁性電極２ｇ及び誘電体３を内蔵する略四角筒状の角管４と、当該角管４の長手方向両端部に接続され、当該両端部から角管４の長手方向外側に向かって窄んで円管６に接続する錐形の１対の錐管５と、プラズマを発生させるための上述した磁性電極２ｇ及び誘電体３とを有している。そしてこのプラズマ反応器１には、排気ガスが図示しない上流側の排気パイプから図示の矢印に沿って一方の円管６に流入し、角管４の長手方向に沿って一方の錐管５、角管４および他方の錐管５を流れて、他方の円管６を介して下流側の排気パイプに流出する。

誘電体３は、図１に示すように、排気ガスの流れ方向と直交する上下方向において、互いに間隔を空けて、図示例では６枚積層され、中間の４枚が磁性電極２ｇ間に介在する。そして誘電体３は、角管４の互いに対向する１対の周壁間において、角管４の周壁に対して各板の表面が平行に（角管４の長手方向に沿って）延びるように形成されている。これによって、角管４内には、互いに向き合う誘電体３間に磁性電極２ｇを配置するガス流路が形成されている。そのため、角管４内では、排気ガスは誘電体３の表面に沿って各ガス流路を流れることとなる。この誘電体３を構成する材料としては、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃（酸化アルミニウム）、ＺｒＯ₂（酸化ジルコニウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）などの低誘電率材料、例えば、ＢａＴｉＯ₃（チタン酸バリウム）、ＳｒＴｉＯ₃（チタン酸ストロンチウム）、Ｂａ（Ｓｒ）ＴｉＯ₃（チタン酸バリウムストロンチウム）などの高誘電率材料が挙げられる。

しかして本参考例に係るプラズマ反応器１は、処理される気体としての排気ガスの気流に対面する方向に磁界を発生させ得る磁界発生手段として、磁性材からなる磁性電極２ｇを具備していることを特徴としている。つまり本参考例では、磁性電極２ｇが、プラズマ発生用の電極と磁界発生手段とを併せて実現している。

この磁性電極２ｇは、図２に示すような例えば磁性材製の線材を編んで形成した網状材である金属網を図３に示すようにほぼ三角波状に折り曲げて、捕集部２１が間隔をあけて連続するように形成してある。すなわち、磁性電極２ｇを構成する磁性材網は、所定の太さの線材を縦横に走らせて編むことにより形成される多数の貫通孔２２（網目）を有するものである。この場合、線材を編むとは、布などと同様に、複数の縦の線材を間隔をあけて整列しておき、その縦の線材の間に横の線材を交わるようにして通すことや、縦の線材と横の線材との交点を溶接や接着剤などで固定して網目を形成することを含むものである。網目の形状は、正方形、長方形、菱形などであってよく、縦の線材と横の線材以外の線材を加えることで、多角形にするものであってもよい。このような磁性材網を、一方の方向例えば磁性材網つまり磁性電極２ｇの長手方向に向かって、山折りと谷折りとがほぼ等間隔で繰り返すように折り曲げて、ほぼ三角波状の形状に形成するものである。

このように、磁性材網をほぼ三角波状にほぼ等間隔で折り曲げることにより、磁性材網の長手方向に向かって、所定の高さで磁性材網の部分が連続して傾斜して立ち上がるものである。したがって、この傾斜して立ち上がった部分が、捕集部２１となる。そして、これらの捕集部２１は、磁性材網の部分であるので、長手方向の線材と幅方向の線材とにより形成された貫通孔２２が、多数存在するものである。これらの貫通孔２２は、粒子状物質ＰＭの大きさに対応するもので、排気ガス内に存在する粒子状物質ＰＭを捕捉する大きさに形成されている。

このような形状に形成された磁性電極２ｇは、平板形状の誘電体３間のガス流路に配置されている。この場合に、それぞれの磁性電極２ｇは、波形状が連続する方向つまり磁性材網の長手方向を、プラズマ反応器１における排気ガスの流れ方向（矢印により示す）に一致させて配置する。つまり、磁性電極２ｇの捕集部２１の連続する方向が、排気ガスの流れ方向に一致させて配置される。したがって、排気ガスの流れ方向には、磁性電極２ｇを構成する磁性材網の網目、貫通孔２２が整列するものとなり、貫通孔２２以外による排気ガスの流路は形成されていない。

このプラズマ反応器１において、磁性電極２ｇ間に電圧を印加すると、磁性電極２ｇ間及びそれぞれの磁性電極２ｇの貫通孔２２内にプラズマが発生する。電圧の印加により、磁性電極２ｇの捕集部２１の上端及び下端、つまり三角波形状の山折り部２３及び谷折り部２４それぞれの折り線部分に、電荷が集中することになる。そして、電荷の集中した部分から電子が排気ガス中に放出されて効率よくプラズマが生成される。すなわち、排気ガス中に電子等が放出され、その排気ガス自体が様々な活性種を含むプラズマとなるものである。そしてこれらの活性種と粒子状物質ＰＭすなわちカーボンが反応してＣＯ₂となり、粒子状物質ＰＭを除去した浄化された排気ガスとするものである。これによりそれらの折り線部分を中心にしてプラズマ放電の効率が高くなる。この結果、電極２１の全域において高いプラズマ発光輝度を示し、広範な放電空間を形成するものとなる。

しかして本参考例に係る電極２を構成する材料を磁性材とすることによってプラズマ反応器１内に磁界を発生させ、粒子状物質ＰＭの捕集、除去効率を向上せしめるものである。すなわち、磁性電極２ｇを設けることにより当該磁性電極２ｇ並びに誘電体３の周囲には磁界が発生しているため、プラズマにより表面に電荷を帯びた粒子状物質ＰＭにはこの磁界に沿って移動しようとする力が働く。そしてこの磁界は、排気ガスの流れる方向に対面する方向に発生しているので粒子状物質ＰＭは排気ガスの流れ方向への移動が抑制され、プラズマ反応器１内により長い時間留まろうとする。これにより、粒子状物質ＰＭはプラズマ反応器１内で、磁場が存在しない状態に比べてより長い時間保持される。つまり粒子状物質ＰＭは電極２によりさらに捕集され易い状態となる。

以上のような構成とすることにより、本参考例に係るプラズマ反応器１は、上述の通り粒子状物質ＰＭ捕集性能が向上するので、同じ粒子状物質ＰＭ捕集性能を得るためのプラズマ反応器１の容量を小さく抑えることが可能となる。すなわち斯かる構成により、さらなる軽量化、低コスト化を実現したプラズマ反応器１を提供することができる。

＜参考例＞
以下に、参考例について図４を参照して説明する。当該参考例において上記の構成要素に相当するものについては同じ符号を付すとともに、詳細な説明を省略するものとする。

本参考例に係るプラズマ反応器１は、図４に示すように、誘電体３、錐管５、円管６の構成は上記実施形態と同じであるが、上記参考例の磁性電極２ｇに代えて電極２を配するとともに、磁界発生手段たる電磁石４ｇを設ける事を特徴としている。

電極２は、上記のような磁性材ではなく、磁界を発生しない金属といった導電体からなる線材からなるものであり、上記同様に、捕集部２１、貫通孔２２、山折り部２３、谷折り部２４を有するものである。なお、この電極２において、線材を構成する金属としては、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、ニッケル、銅、タングステンなどが挙げられる。

そして電磁石４ｇは、角管４の一部に設けられたもので、電極２並びに電界を含む領域に磁界を発生させ得るものである。特に当該電磁石４ｇは、印加する電圧の大きさを適宜制御し得るように設定されたものである。そしてこの電圧は、排気ガスの流量、エンジン負荷、アクセル開度や吸入空気量等の運転状態検出パラメータにより制御され得るものとなっている。

このようなものであれば、上記同様の効果に加え、運転状態により排気ガス中に粒子状物質ＰＭが多く含まれるときには印加する電圧を大きくして粒子状物質ＰＭの捕集性能を一時的に増大させることができるので、粒子状物質ＰＭの捕集性能をより向上させることができる。

＜実施形態＞
続いて、本実施形態について図５を参照して説明する。当該他の変形例についても、上記参考例と同じ構成要素については同じ符号を付すとともに、その詳細な説明を省略するものとする。

本実施形態に係るプラズマ反応器１は、図５に示すように、錐管５、円管６の構成、電極２の構成は上記参考例と同じであるが、上記の誘電体３に代えて、磁界発生手段たる永久磁石３１ｇと、この永久磁石３１ｇを内蔵する誘電体本体３０を有している誘電体３を配したものである。そして当該永久磁石３１ｇにより、電極２並びに電界を含む領域に磁界を発生させ得るものである。

このようなものであっても上記実施形態同様に、プラズマ反応器１内に磁場を発生させることによる本発明の効果を享受し得るものとなっている。

以上、本発明の参考例及び実施形態について説明したが、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみ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種々変形が可能である。

例えば、上記では貫通孔が多数形成された網目状の電極を適用する態様を開示したが、勿論、他の形状をなす電極を適用したものであってもよい。また永久磁石や電磁石の具体的な配置や態様は上記参考例及び実施形態のものに限定されることはなく、既存のものを含め、種々の態様のものを適用することができる。

その他、各部の具体的構成についても上記参考例及び実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、工場、プラント、内燃機関などから排出される排煙に含まれて環境に悪影響を及ぼす成分を除去するための装置として利用することができる。

１…プラズマ反応器
２…電極
２ｇ…磁界発生手段（磁性電極）
３…誘電体
３１ｇ…磁界発生手段（永久磁石）
４ｇ…磁界発生手段（電磁石）

Claims (1)

1. 処理される気体の流れ方向に延出させて設けられた複数のプラズマ発生用の電極と、
   この複数の電極間に介在させて設けられた誘電体と、
   気体の流れ方向に気流に対面する方向に磁界を発生させ得る前記誘電体に一体に形成された磁界発生手段とを具備するプラズマ反応器であって、
   前記磁界発生手段が、前記誘電体を構成する誘電体本体に内蔵された永久磁石であることを特徴とするプラズマ反応器。

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